宇宙中的星系形狀和大小各異。有些是巨大的恆星球體，比銀河系大許多倍。另一些是扁平的圓盤，像薄餅一樣的恆星漩渦圍繞著中心隆起旋轉。還有一些，包括我們自己的星系，是由恆星排列而成的，它們圍繞中心呈螺旋狀舞動。長期以來，天文學家一直對這些螺旋星系是如何形成的感到困惑，並提出了許多理論。現在，新的觀測揭示了與這些螺旋星系相關的星系尺度磁場，這可能為它們的形成提供了重要的線索。
在一篇釋出在預印本伺服器 arXiv.org 上並被《天體物理學雜誌》接受發表的論文中，一個天文學家團隊使用美國國家航空航天局的平流層紅外天文臺（SOFIA）（一個在改裝的波音噴氣式飛機上執行的望遠鏡）進行觀測，使用一種名為高解析度機載寬頻相機–Plus（HAWC+）的新儀器觀測了一個名為 M77 的星系。儘管 M77 距離地球約 4700 萬光年，但該團隊仍能夠利用 SOFIA 的遠紅外功能觀測其磁場，發現它與星系中充滿恆星的螺旋臂密切相關。
明尼蘇達大學的特里·瓊斯是該論文的合著者之一，他說：“我們星系和其他星系中恆星之間的區域充滿了塵埃。這些塵埃吸收了來自恆星的光，並變暖並在遠紅外波段輻射。如果你把所有這些都沿著相同的方向排列，它就像一個弱偏振器，就像一副[偏光]太陽鏡。你如何排列所有的[塵埃]？嗯，這就是磁場的作用。來自這些塵埃的光的偏振告訴我們磁場的方向。”
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SOFIA 能夠產生 M77 的驚人視覺化效果，這要歸功於其獨特的能力，即可以在大氣層高空飛行，高於水蒸氣層，否則水蒸氣會吸收來自遙遠星系塵埃發出的微弱遠紅外訊號。“這在以前真的不太可能，”瓊斯說。“這是一種在遠紅外偏振光下繪製或拍攝其他星系圖片的新方法。你無法從地面做到這一點，因為大氣層會吸收一切，而且以前的儀器不夠靈敏。”
研究人員表示，這項研究是天文學家首次在遠紅外光下繪製另一個星系的磁場圖。普林斯頓大學的布魯斯·德雷恩（未參與這項工作）指出，這項成就意義重大，因為這種光“幾乎完全由塵埃顆粒輻射”。儘管塵埃顆粒本身太小而無法看到，但它們的大規模排列使它們發出更明亮的光，從而揭示它們在 M77 整體上的分佈。
M77 和其他星系如何形成螺旋仍然是天文學中的一個懸而未決的問題，儘管人們認為引力在其中起著重要作用。在一種被稱為密度波理論的主要模型中，星系中密度較高的區域比周圍區域旋轉得更慢，這意味著其中的恆星基本上聚集成了我們可以從遠處觀察到的螺旋臂。這種效應可能會塑造星系中的磁場，而不是反過來。“磁場看起來像是順便搭個便車，”瓊斯說。“換句話說，磁場本身並沒有告訴我們螺旋臂應該在哪裡；螺旋臂告訴我們磁場指向哪裡。”
義大利都靈天體物理天文臺的羅納德·德里梅爾（也未參與這項新研究）表示，星系尺度磁場的存在“並不令人驚訝”。但 SOFIA 對非常明顯的、大規模模式的揭示是新穎且重要的。“這表明這些星系中的磁場不僅僅是湍流或隨機的，”他說。“磁場應該以這種規則的方式在大尺度上排列，這並不是顯而易見的。所以這很有趣”——並且可能與解開為什麼有些星系呈螺旋形而另一些則不呈螺旋形的謎團有關。
許多星系被認為是透過與其他星系的碰撞而獲得形狀的。但是，與螺旋星系的普遍性相比，這種宇宙碰撞相對罕見，這可能需要更廣泛的理論來解釋宇宙漩渦。“我們關於螺旋結構的理論是不完整的，”德雷恩說。“在某些星系中，它的發展比其他星系更明顯。究竟是什麼決定了星系將具有非常明顯的結構還是不太明顯的螺旋結構，這並不總是清楚的。”
加州理工學院的喬治·赫盧（未參與最近的論文）表示，為了徹底弄清這個問題，需要以更高的解析度進行後續研究，以跟進最新的 SOFIA 研究。這種高解析度觀測可以顯示星系的氣體在星系生命週期中是如何被壓縮和塑造的。“我們有一個很好的工作理論，即螺旋密度波理論，它是在六十年前提出的，似乎通過了所有測試，”赫盧說。“但它有很多引數在起作用。如果我給你所有我們所知的關於星系盤的引數，你沒有一個簡單的方法來推匯出螺旋應該是什麼樣子。我們仍然有很多方面需要更好地理解。”
我們以前已經看到，由於 SOFIA，從星系發出的風與其磁場對齊。但最近的這項研究讓我們對磁場在星系內部發揮什麼作用有了全新的認識——或者至少，它們被星系本身塑造成什麼形狀。而且，瓊斯說，未來可以使用 SOFIA 進行一些誘人的潛在觀測，這些觀測可以讓我們比以往任何時候都更好地掌握星系的形狀。“我們可以發現它們相互碰撞，但我們還沒有用這種技術觀察到這一點，”他說。“我們也沒有測量[沒有螺旋臂的星系]的磁場幾何形狀。所以這只是冰山一角。”