你所不知道的恒星（茫茫行星际中的指南针）

我们大家都认识指南针，这是中国古代的四大发明之一。指南针最主要的作用，顾名思义，就是指示方向。指南针通过测量地球磁场，给出地球磁场的方向，从而帮助人们进行导航，从技术上，支持了约16世纪开始的人类地理大发现时代，推动了历史的车轮。

司南

如今，人类已经推开了星际探索时代的大门，开始尝试在茫茫的行星际空间航行，甚至有希望在不远的将来，探索更广阔的恒星际。在大海上航行，导航主要依靠的是恒星导航（也就是观星）和指南针。在星际空间导航，其实也是类似的。

恒星导航演变成了星敏仪一类，即依靠识别星图来判断方向的仪器。因为恒星亘古长存，其变化非常缓慢而微弱，距离我们又非常遥远。因此不管是在地球，还是在深空，我们看到的星图，没有太大的区别。

六分仪，用于进行天体导航

但是指南针就不同了，指南针严重依赖于地球表面的磁场，然而我们现在要离开地球表面，进入更未知的太空。在这个时候，指南针这种“找南方”的、仅测量“磁场的方向”的方式，在行星际空间中明显是不适用的。

退一步讲，我们之所以能在地球上使用指南针，是因为我们人类在地球表面的漫长的生产实践中，总结出了，“磁石总是指向南北方向”这样一个特征。这是我们对地球表面磁场形态特征的，直观且基本准确的认知。如果要将“指南针”推而广之，那我们首先要在星际空间中，找出磁场的形态特征、演化规律。

木星磁场

所以，在这样一个全新的时代，我们已经发明了很多种新的，测量磁场的方法。今天，就带大家来看看，跨入宇航时代的人们，是怎样测量磁场的。

磁场是一种场，测量磁场和测量其他的物理量，其原理都是共通的，即让待测的物理量和某种介质发生相互作用

哈勃太空望远镜拍摄的木星极光，是木星磁场、等离子体和木星大气层相互作用的直观形象的展现

想到磁场，各位一定第一时间就会想到电场，毕竟高中物理电磁学的教训实属深刻。没错，我们要介绍的第一种探测磁场的仪器，就是直接利用了磁生电的原理，请看：

一、探测线圈磁强计

我们初高中都学过，电能生磁，磁也能生电。通过线圈截面的磁场通量发生变化，线圈内就会产生抗磁电流，这就是“楞次定律”。这个规律，在人类已知的宇宙中，都不例外。于是，借助电磁感应的原理，我们就制造了这样一种磁强计——探测线圈磁强计（Search-coil Magnetometer）。

探雷器

放错图了？可以说也没错，因为探雷器和探测线圈磁强计的原理，是相通的。探雷器探测地雷，是在探测地雷中的金属成份。探雷器的线圈首先产生一个交变的磁场，这个磁场将在地雷的金属结构上激励出感应电流，这种感应电流又激励出反馈的磁场，被探雷器的线圈接收——这样，探雷器就探测到了地雷。

探测线圈磁强计，完全可以类比探雷器，只不过通常，探测线圈磁强计的线圈里并不产生交变的磁场，因为空间中本身就充满了波动的磁场。这些波动的磁场，导致探测线圈磁强计的线圈内产生电流，电流被仪器记录下来，就可以换算为磁场。

搭载在THEMIS卫星上的探测线圈磁强计，三组线圈用来测量三个方向的磁场

那么，这种磁力计的优点，就显而易见了，外界的磁场越狂暴，变化越激烈，它的测量效果就越好。具体来说，就是对快速变化的，高频的磁场波动有着很好的监测效果。而且，正如我所描述的，这种磁力计的结构非常简单，主要就是一套线圈，连接一只电流表。在茫茫的太空中，简单的结构，就意味着轻巧的质量和较低的故障率。早期的先驱者5号和最新的THEMIS探测器，都搭载了这种磁强计或其改型。

先驱者5号

同时，缺点伴随着优点一起出现了——这种磁力计没办法测量不变，或者缓慢变化的磁场。对于探雷器来说，不变就等于不存在地雷，对于探测线圈磁强计也是同理。

那么怎么测量这种不变，或者缓慢变化的磁场呢？那就要请出下一位选手了。

二、光泵磁强计

光泵磁强计，是一个大类，总的来说，是依靠原子的塞曼效应来测量磁场。但是产生塞曼效应的介质多种多样，可以是钙蒸汽，也可以是钠蒸气，钾蒸汽，铷蒸汽，氦蒸汽，甚至酒精（氢原子）。在执行空间探测任务的光泵磁强计中，比较常见的是钙蒸汽，因此有的时候，以钙蒸汽为介质的光泵磁强计，也被称为是钙蒸汽磁强计。

安装在Swarm卫星上的光泵磁强计，使用的介质是氦蒸汽

塞曼效应是原子在磁场下发生的一种能级劈裂的效应。大家可能接触过原子物理，知道原子存在多个固定的能级，这些能级能够通过发射光谱或者吸收光谱来观测到，每一个能级对应一条分立的谱线。由于原子本身具有磁矩，那么在有外界磁场的情况下，能级发生劈裂，从而一条谱线也分裂成三条乃至多条，每条分裂的谱线是偏振的。分裂的谱线之间的距离（频率的差），和磁感应强度呈现线性相关。

能级分裂，一条谱线分裂成多条

更详细的关于塞曼效应的描述，在大学原子物理的课本中就有，位于“电子自旋”的相关章节。如果感兴趣的话，可以去读一读。

那么我们现在知道，磁场会导致能级分裂；我们也有成熟的手段，测量物质的光谱特征。明显，可以通过光谱信息，换算磁场的强度。

由于原子的磁矩存在取向，因此对于外界磁场的方向的响应，也是有取向的，在理论上，可以实现同时测量磁场的强弱和方向。然而，测量的时候用到的钙蒸汽，通常是一大团，里面有数不清的钙原子，取向各异；想将他们的取向统一，需要不少的额外设备和功耗。因此，虽然理论上光泵磁强计可以是矢量磁强计，但在实际的工程实践中，通常将光泵磁强计设计成标量磁强计，即，只测量磁场的强度。

水手五号（Mariner-5）。水手五号上安装的，以氦蒸汽作为介质的光泵磁强计，就可以测量三轴矢量磁场

光泵磁强计作为标量磁强计，其精确度很高，稳定性很好，常常用于校准其它的磁强计。原因在于，其测量原理基于测量介质本身的，不随时间改变的物理属性，所以其测量结果非常稳定，生产完成之后基本不需要校准，因此可以校准其它的仪器。此外，因为人类观测光谱的手段非常成熟和精密，因此光泵磁强计本身的观测结果就非常准确。

照例，光泵磁强计也有缺点，它一般不能测量矢量的磁场（特殊设计的型号也可以测），然而磁场的方向和强度同样重要；此外，设计稍显复杂，可靠性要打个折扣。

三、磁通门磁强计

那么，有没有一种，设计简单可靠，还能测矢量的磁场的磁强计呢？有的，那就是磁通门磁强计。可以说目前，在航天探测器上应用最广泛的，就是磁通门磁强计。

卡西尼号上那根长长的杆，顶端安装的就是磁通门磁强计

磁通门磁强计的原理，说来简单。请想象一个门，这个门不大，一次只能让一个200斤的胖子挤过去，再重哪怕一点点都不行。

现在，有一个客人（外界的待测磁场），挺瘦的，我不知道他的体重。而我自己，是一个140斤的，柔软易形变的胖子。我和这个客人，同时通过这道门，刚好能过去——也就是说，我俩的体重，总和刚好是200斤。那么，简单计算一下，客人的体重，就是60斤。

更进一步，如果我的体重，可大可小，而且我自己总是知道我有多重，那么，我就总是能通过跟不同的客人一起通过这道门，来算出客人有多重——如果我100斤，那客人就也100斤。

一类软磁材料的磁滞回线，可见，达到饱和后，外界磁场继续增强，材料内的磁场并不会跟着增强。

这就是磁通门的原理——有一类材料，称为“软磁材料”，它内部通过的磁通量有一个上限，我们称之为饱和磁通量。比如一种磁通门的饱和磁通量是1Wb（韦伯，即1T*m2），在外界待测磁场中并没有饱和；现在我给这个磁通门人为施加了0.6Wb的磁通量，饱和了！那么明显，磁通门中本来就有的，待测的外界磁场的磁通量就是1-0.6=0.4Wb，如果这个磁通门的截面积是1m2，那么外界磁场的磁感应强度就是0.4T。

磁通量是单一方向的，即垂直于截面方向，所以磁通门磁强计实际上只对单一方向的磁场敏感，可以测出单一方向的磁感应强度。在三维空间中，磁场是线性可加的，所以，只需要安置三组相互正交的磁通门磁强计，就可以测量三维空间中任意磁场的强度和方向了，也即，实现了矢量磁场的测量。

英国巴廷顿公司的三轴磁通门探头，只有3立方厘米左右。

原理是这个原理，不过在实际使用中，由于我们并不预先知道外界的磁场强度和方向，因此需要不断尝试不同的值，试图让磁通门饱和。我们会给磁通门施加交变的磁场，来让磁通门在正反两个方向，反复出现饱和。

有的时候，外界待测磁场本身就大于饱和磁场，300斤的胖子无论如何都会被200斤上限的门卡住。这时候就需要额外给磁通门施加补偿磁场，来压低总的磁场强度，相当于先给300斤的胖子减肥100斤（或者更多），让他适应我们的量程，测完体重再把这100斤吃回去，得出他的体重是300斤。

手工制作的单轴磁通门，结构非常简单

磁通门磁强计最核心的部件，是软磁材料制作的磁芯，和缠绕在磁芯上的多组线圈。不同的设计需要不同多组线圈，在这里不深入讲解，如果感兴趣，欢迎报考我们所的空间物理专业（因为打广告被领导拖走）！

此外，还需要一套维持磁通门工作的电路，负责产生柔软的胖子，报告门框的饱和，以及给超出量程的老哥减肥，顺便维持门框的稳定（例如温度等参数）。

这么来看，磁通门磁强计结构简单，原理简单，还能测矢量磁场。值得一提的是，磁通门磁强计的测量精度也是名列前茅。如此优点突出，其它的磁强计似乎黯然失色。

安装在Swarm卫星上的磁通门磁强计，探头在右边。是的，长得像个地雷。

然而，目前的磁通门磁强计，有一个重大的缺陷——其测量基值不稳定，会随着时间和温度跑偏。你可以理解为，门框会随着时间的流逝、温度的改变，而慢慢改变形状。曾经200斤量程的门，也许会慢慢变成220斤。这种基值的跑偏，目前是无法预测的，其随时间和温度的关系，也是难以捉摸的。所以，才会有前文提到的，光泵磁强计，来给磁通门磁强计做校准。

Swarm卫星的伸杆，最顶端安装的是ASM，标量磁强计，一个改进的光泵磁强计；中间的光学平台向前突起的白色小球，是磁通门磁强计VFM。ASM主要负责校准VFM，不过本身也产生科学数据。

四、质子旋进式磁强计和Overhauser磁强计

质子旋进磁力计依靠的是质子在磁场下的拉莫（Lamour）进动现象，虽然原理不同，但其实观测方法和光泵磁强计也有点类似。质子旋进式磁强计的核心，是氢含量很高的一类介质，包括煤油、酒精、水、甲烷等等。在这个核心上，先施加一个强磁场，统一大部分质子进动（旋进）的方向。随后，突然撤出这个强磁场，那么刚才在进动的质子，就会转而改变为绕外界磁场进动。这种进动运动的频率，与外界待测磁场的强度成正比，这时候用吸收光谱来测出这个频率，就可以借此来解算磁场的强度。

质子旋进式磁强计

1959年，先锋3号（Vanguard-3）曾经搭载一个质子旋进式磁强计上天，用于测量地球磁场。

然而，质子旋进式磁强计在灵敏度和采样率上，通常都不如光泵磁强计，因而渐渐被取代了。

Overhauser磁强计是在质子旋进式磁强计的基础上改造的，不采用强磁场来统一质子进动方向，而是用一个射频无线电波来诱导介质分子的自由基旋转的方向统一。后续的观测则与质子旋进式磁强计相同。

1999年发射的，丹麦的首颗卫星Ørsted，奥斯特号（纪念发现电流可以产生磁场的丹麦物理学家奥斯特）上，搭载了一型Overhauser磁强计。然而，在实际使用中，发现这套磁强计有一些“死区”，无法测量。不过，Overhauser磁强计从原理上改进了质子旋进磁强计，降低了功耗，减小了体积，也许以后会大展拳脚。

奥斯特号（Ørsted），丹麦首颗卫星，搭载了Overhauser磁强计

磁场传感器还有很多种，例如霍尔传感器，巨磁阻传感器，超导量子干涉器件（SQUIDs），等等。但因为这些传感器，目前还有一些比较大的缺陷，所以在科学卫星和探测器上，很少会使用。

比如说，霍尔传感器虽然很小，而且非常便宜，是目前全世界商用产品出货量最大的磁传感器之一。但它的量程太大，精确度却达不到要求，不适应太空中普遍的相对弱的磁场环境。

巨磁阻传感器也非常小，常常用在机械硬盘的磁头上。它的量程比霍尔传感器更大，通常更不精确，一般不会用在航天科学测量领域。

超导量子干涉器件（Superconducting Quantum Interference Devices, SQUIDs），实际上可以比图中的尺寸小得多。

SQUIDs的探头本身也非常小，甚至可以做到亚微米级别的尺度，而且非常精确，是目前人类最精确的磁传感器之一，已经广泛应用在生物磁场探测中。但是，它存在超导设备目前的通病——为了实现超导效应，其降温和保温机构非常庞大，常常重达数吨，也许在未来，解决了常温超导问题，我们就能把它搬上天了。

此外，在测量一些天体——例如太阳——的磁场的时候，我们没办法跑到太阳表面去测量。但是刚才讲过，在磁场下，能级会发生劈裂，即塞曼效应。我们只需要观测太阳光的光谱，不需要上天，也可以从其光谱劈裂里，推测其磁场的大致强度和方向。

一个太阳黑子形成的塞曼效应，光谱中可见明显的能级分裂。

看到这里，想必各位看官，对于我们是如何在太空中测量磁场的，有了一个大概的印象。大致总结一下，在航天科学测量领域，主要有三类：

1. 探测线圈磁强计；

2. 光泵磁强计；

3. 磁通门磁强计。

三者各有优劣，但磁通门磁强计是其中应用最广泛，性能最适宜的。

还有很多磁强计，可能在未来拥有潜力，包括Overhauser磁强计、SQUIDs，也许还有石墨烯基的霍尔传感器。在克服了现有的缺陷后，也可能会成为人类探索空间磁场的得力助手。

现在，人类对于广阔深空中的磁场，还所知甚少，短时间内，让“航海罗盘”再现辉煌，似乎不太可能。不过，“不积跬步，无以至千里。”人类一点点地摸索这个宇宙，总是会让前方的迷雾，越来越淡薄；让身后的疆土，越来越广阔；让未来的道路，越来愈清晰。

美编：车玥逸

校对：李玉钤

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