中科院和马普学会在射电天文领域的合作研究

探索宇宙的奥秘是人类与生俱来的欲望。宇宙磁场的起源和演化是物理和天体物理学中长期没有解决的重大问题之一。银河系和星系磁场的研究是攻克这个问题的关键。星系尺度磁场的观测是检验和推动有关理论的根本。马普射电天文合作伙伴小组是中国科学院和马普学会在射电天文领域合作研究宇宙磁场的结晶，为宇宙磁场研究提供了框架，成为中德合作的成功典范。

　　马普射电天文小组的成立

　　中国科学院和马普学会很早就开展天文研究方面的合作。七十年代，德国建造了最大的射电望远镜――即直径为100米的全方位可动的Effelsberg射电望远镜，德国随即成为射电天文研究的大国。它因此被我们选为射电天文学习和合作的主要国家之一。

　　10多年前，当我在中国科学院北京天文台攻读博士学位时，我的导师建议我用已经公开发表的脉冲星数据研究我们银河系的磁场。我们在世界前沿领域调研时发现，德国马普射电天文研究所从八十年代初开始，一直努力系统地测量邻近星系的磁场。理论学家发表了很多似是而非的理论解释。他们对银河系磁场仅仅只有太阳系附近和银心附近的小范围的一些观测。1993年，我完成了关于银河系大尺度磁场的博士论文，并在国际刊物发表。此后，我希望到德国马普射电天文研究所进行一段时间的交流和合作。Beck博士和所长Wielebinski教授表示非常欢迎。当时出国是一件重要的事情。德国对中国的学术交流非常重视并且给访问学者的待遇也很好，我1995年底与德国同行讨论后，申请到了美国的大望远镜阵列探测仙女星云磁场的项目。1996年观测数据得到后，我就与德国同事合作，对所有发表的数据进行分析，又发现了银河系晕的大尺度磁场结构。从1997年5月到1998年8月，终于利用中国科学院和马普学会的交换学者计划在德国波恩马普射电天文研究所进行合作研究。在6个月的时间完成了原计划一年的仙女星云的合作项目。过去的直接观测一直显示仙女星云的磁场局限于一半径范围，而我们利用新办法测量后发现从星系中心到很外围的地方一直都有磁场。此后，我们处理了旋涡星系NGC2997的大量观测数据，首次以当时最好的分辨率完整地揭示了这个星系磁场的结构，发现了一些新的现象。同时我们还积极开拓了其他课题，如在很多波段上测量星系M101的磁场，进一步观测脉冲星以揭示银河系大范围的磁场。

　　在德国合作研究非常成功。回国前，Beck博士和Wielebinski所长就表示，我们应该继续合作。1998年回国后，我经过长时间的思考，1999年提出应该加强星系中心的磁场和物理作用的研究。Beck博士和他的学生后来研究了旋涡星系NGC6946的中心，他们发现了星系中心的磁场和气体通向在黑洞中的过程有关，他们的论文发表于Nature。我们后来提出银河系6厘米偏振巡天计划。这个项目需要研制仪器，随后还要进行两三年时间的观测和研究。我们在讨论该项目时，注意到中国科学院和马普学会正在设立中德马普合作伙伴小组。我们立即意识到，无论是时间尺度还是合作形式，这是正好符合我们共同做这个大巡天项目的框架。我们很快提出了申请。经过马普学会组织的学术评审，以及马普与中国科学院的协商，2000年11月德国方面批准了马普射电天文合作伙伴小组的成立。2001年4月中国科学院国际合作局也正式发文并在国家天文台举行了马普小组的成立仪式。

　　现在的合作研究与前景

　　任何合作研究都需要研究经费支持。马普小组成立后，国家天文台领导于2001年底同意支持30万元经费，启动马普小组的关于星系磁场的合作研究。2002年马普射电天文研究所也开始完全启动中德合作，一方面给予马普小组补贴支持，更重要的是开始设计和制作巡天用的6厘米波长的巡天接收机和偏振计。

　　马普射电天文研究所的技术人员一直为他们能够设计世界上最好的接收机而自豪。他们经过两年多的努力，与我们国家天文台乌鲁木齐站的工程师合作，刚刚完成一整套6厘米接收机的系统。研制这套系统包括很多中国方面的工作，如申请经费，进口配套设施，测量我们望远镜系统各种参数，重新设计馈源等等。一些工作比预想的复杂，并且花了很多时间。经过努力，今年5月份，这套系统将完整地安装到望远镜系统上，夏天我们就可以进行科学实验了。

　　马普小组为整个实验准备了数据处理和天文研究的软件。我们移植了马普射电天文研究所过去成熟的观测软件和处理技术，将他们从工作站的运行环境移植到Linux操作系统上。目前软件工作已经完成。夏天观测数据得到之后，我们就可以直接研究银河系磁场了。

　　我们在准备巡天大项目的同时，中德科学家一起花了很多时间全面地调查世界上进行宇宙磁场研究的各种研究方法以及各种方法取得的结果。可以说，宇宙中所有地方都有不同强度的磁场，从千万光年大小尺度的星系团，到几千光年的星系，到太阳系这样的恒星系统，地球这样的行星系统。目前的初步信息还表明宇宙初期星系还没有形成时就可能有磁场存在。我们要研究宇宙磁场的起源，首先必须搞清楚宇宙中磁场的物理性质。浩瀚宇宙中的磁场人类是无法现场测量的。我们只有通过电子在磁场中辐射的电磁波来研究磁场。我们选择银河系作为研究目标实际上有很强的科学背景和科学潜能。宇宙中磁场起源问题是物理学上长期没有解决的疑难问题之一。要攻克这样的难题，大尺度的观测很难，小尺度的观测又不能反映本质。银河系和星系尺度的磁场观测自然成为解决问题的关键作力点，一方面能够观测好，另一方面，能够检验所提出的各种理论，促进理论工作的发展。

　　为了研究银河系磁场，我们还充分利用国际上其他一切可能的观测设备。比如，与澳大利亚科学家一起，利用澳大利亚望远镜观测了大量的脉冲星。脉冲星可以作为银河系磁场的“探针”。利用脉冲星偏振信号经过星际空间时所产生的法拉第效应，我们可以求解出星际空间的平均磁场强度和平均方向。原先的测量主要集中在几千光年范围内，现在我们已经拓展到1万多光年，“探针”数量增加了一倍多，测量难度也大一些。目前我们基本确定了银河系主要已知旋臂的大尺度磁场。要知道银河系盘面内磁场的完整性质，我们6厘米的巡天观测就不可或缺。

　　长期没有很好探索的银晕磁场也是中德合作的重点。以我为主，德国同行参与，利用德国100米大射电望远镜进行了全天强偏振射电源的法拉第巡天。这是探测银晕磁场的关键项目。我们观测已经完成。目前数据正在分析中。

　　可以预计，经过我们两三年的努力，我们对人类的家园——银河系将有新的认识。我们将能够尽可能详细地描述它的磁场。我们的结果不仅仅对理论上进一步理解宇宙磁场起源问题很重要，实际上银河系磁场对国际上耗资巨大的宇宙线探测和起源研究具有至关重要的作用。因为所有探测到的宇宙线都必须经过银河系的磁场，而带电粒子经过磁场时会因为洛纶兹力而改变方向。探测到宇宙线以后，必须先理解它在银河系内的运动轨迹，才能理解宇宙线起源。这就是为什么我们的工作受到国际同行重视的根本原因。

　　如果有一天，我们利用“指南针”进行星际旅行的话，我们目前对银河系磁场的研究就会直接为旅行者提供帮助。（新浪）