宇宙中的星系形状和大小各异。有些是巨大的恒星球体，比银河系大许多倍。另一些是扁平的圆盘，像薄饼一样的恒星漩涡围绕着中心隆起旋转。还有一些，包括我们自己的星系，是由恒星排列而成的，它们围绕中心呈螺旋状舞动。长期以来，天文学家一直对这些螺旋星系是如何形成的感到困惑，并提出了许多理论。现在，新的观测揭示了与这些螺旋星系相关的星系尺度磁场，这可能为它们的形成提供了重要的线索。
在一篇发布在预印本服务器 arXiv.org 上并被《天体物理学杂志》接受发表的论文中，一个天文学家团队使用美国国家航空航天局的平流层红外天文台（SOFIA）（一个在改装的波音喷气式飞机上运行的望远镜）进行观测，使用一种名为高分辨率机载宽带相机–Plus（HAWC+）的新仪器观测了一个名为 M77 的星系。尽管 M77 距离地球约 4700 万光年，但该团队仍能够利用 SOFIA 的远红外功能观测其磁场，发现它与星系中充满恒星的螺旋臂密切相关。
明尼苏达大学的特里·琼斯是该论文的合著者之一，他说：“我们星系和其他星系中恒星之间的区域充满了尘埃。这些尘埃吸收了来自恒星的光，并变暖并在远红外波段辐射。如果你把所有这些都沿着相同的方向排列，它就像一个弱偏振器，就像一副[偏光]太阳镜。你如何排列所有的[尘埃]？嗯，这就是磁场的作用。来自这些尘埃的光的偏振告诉我们磁场的方向。”
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SOFIA 能够产生 M77 的惊人可视化效果，这要归功于其独特的能力，即可以在大气层高空飞行，高于水蒸气层，否则水蒸气会吸收来自遥远星系尘埃发出的微弱远红外信号。“这在以前真的不太可能，”琼斯说。“这是一种在远红外偏振光下绘制或拍摄其他星系图片的新方法。你无法从地面做到这一点，因为大气层会吸收一切，而且以前的仪器不够灵敏。”
研究人员表示，这项研究是天文学家首次在远红外光下绘制另一个星系的磁场图。普林斯顿大学的布鲁斯·德雷恩（未参与这项工作）指出，这项成就意义重大，因为这种光“几乎完全由尘埃颗粒辐射”。尽管尘埃颗粒本身太小而无法看到，但它们的大规模排列使它们发出更明亮的光，从而揭示它们在 M77 整体上的分布。
M77 和其他星系如何形成螺旋仍然是天文学中的一个悬而未决的问题，尽管人们认为引力在其中起着重要作用。在一种被称为密度波理论的主要模型中，星系中密度较高的区域比周围区域旋转得更慢，这意味着其中的恒星基本上聚集成了我们可以从远处观察到的螺旋臂。这种效应可能会塑造星系中的磁场，而不是反过来。“磁场看起来像是顺便搭个便车，”琼斯说。“换句话说，磁场本身并没有告诉我们螺旋臂应该在哪里；螺旋臂告诉我们磁场指向哪里。”
意大利都灵天体物理天文台的罗纳德·德里梅尔（也未参与这项新研究）表示，星系尺度磁场的存在“并不令人惊讶”。但 SOFIA 对非常明显的、大规模模式的揭示是新颖且重要的。“这表明这些星系中的磁场不仅仅是湍流或随机的，”他说。“磁场应该以这种规则的方式在大尺度上排列，这并不是显而易见的。所以这很有趣”——并且可能与解开为什么有些星系呈螺旋形而另一些则不呈螺旋形的谜团有关。
许多星系被认为是通过与其他星系的碰撞而获得形状的。但是，与螺旋星系的普遍性相比，这种宇宙碰撞相对罕见，这可能需要更广泛的理论来解释宇宙漩涡。“我们关于螺旋结构的理论是不完整的，”德雷恩说。“在某些星系中，它的发展比其他星系更明显。究竟是什么决定了星系将具有非常明显的结构还是不太明显的螺旋结构，这并不总是清楚的。”
加州理工学院的乔治·赫卢（未参与最近的论文）表示，为了彻底弄清这个问题，需要以更高的分辨率进行后续研究，以跟进最新的 SOFIA 研究。这种高分辨率观测可以显示星系的气体在星系生命周期中是如何被压缩和塑造的。“我们有一个很好的工作理论，即螺旋密度波理论，它是在六十年前提出的，似乎通过了所有测试，”赫卢说。“但它有很多参数在起作用。如果我给你所有我们所知的关于星系盘的参数，你没有一个简单的方法来推导出螺旋应该是什么样子。我们仍然有很多方面需要更好地理解。”
我们以前已经看到，由于 SOFIA，从星系发出的风与其磁场对齐。但最近的这项研究让我们对磁场在星系内部发挥什么作用有了全新的认识——或者至少，它们被星系本身塑造成什么形状。而且，琼斯说，未来可以使用 SOFIA 进行一些诱人的潜在观测，这些观测可以让我们比以往任何时候都更好地掌握星系的形状。“我们可以发现它们相互碰撞，但我们还没有用这种技术观察到这一点，”他说。“我们也没有测量[没有螺旋臂的星系]的磁场几何形状。所以这只是冰山一角。”