天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，磁場遍布宇宙的大部分區(qū)域，如果這些磁場可以追溯到大爆炸時期，一個重要的宇宙學(xué)謎題可能就會因此迎刃而解。
這些磁場的存在似乎有些莫名其妙——來自與冰箱磁貼同樣的實體——圍繞著地球、太陽和所有星系。20 年前，天文學(xué)家開始在星系團(tuán)中探測到磁場，包括星系之間的空間。無數(shù)隱形的磁力線就像指紋一般，穿梭于星系空間。
2019 年，天文學(xué)家終于成功對星系團(tuán)之間的廣闊空間進(jìn)行了探測。這是一個更加稀疏的空間區(qū)域，在那里，他們發(fā)現(xiàn)了迄今為止最大的磁場：長度達(dá) 1000 萬光年的磁化空間，橫跨宇宙網(wǎng)的一整條 “纖維”！
利用同樣的技術(shù)，天文學(xué)家在宇宙的其他地方發(fā)現(xiàn)了第二條磁化 “纖維”，但這可能只是目前人類能看到的 “冰山一角”。
問題是：這些巨大的磁場從何而來？
天體物理學(xué)家對宇宙磁場進(jìn)行了最先進(jìn)的計算機(jī)模擬，很明顯，這與單個星系的活動、單次爆炸，或者超新星風(fēng)沒有關(guān)系，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此。
一種可能是，宇宙中的磁力是原始的，可以追溯到宇宙的誕生。在這種情況下，弱磁性應(yīng)該無處不在，甚至存在于宇宙網(wǎng)的 “空洞”（void）中。在天文學(xué)中，空洞是指纖維狀結(jié)構(gòu)之間的空間，堪稱宇宙中最黑暗、最空曠的區(qū)域，無所不在的磁力會在星系和星系團(tuán)中孕育出更強(qiáng)的磁場。
原始磁力也可能有助于解決另一個宇宙學(xué)難題：哈勃沖突（Hubble tension）。這可能是宇宙學(xué)中最熱門的話題之一。
哈勃沖突問題的核心是，根據(jù)已知的成分，宇宙膨脹的速度似乎明顯快于預(yù)期。今年 4 月，宇宙學(xué)家卡爾斯頓 · 讓達(dá)齊克（Karsten Jedamzik）和列翁 · 波戈相（Levon Pogosian）在線發(fā)表了一篇論文，目前正在接受評審。他們在論文中指出，早期宇宙的弱磁場可能導(dǎo)致了今天所見到的宇宙膨脹速度比理論值更快。
原始磁場對哈勃沖突的解釋簡潔明了，以致于讓達(dá)齊克和波戈相的論文迅速引起了人們的注意。這是一篇優(yōu)秀的論文，想法很棒。
該觀點還需要更多的檢驗，以確保早期的磁場不會影響其他宇宙學(xué)運算，即使這個想法在紙面上可行，研究人員也需要找到原始磁場的確鑿證據(jù)，以確定這就是塑造宇宙的缺失因素。
盡管如此，在這么多年來對哈勃沖突的討論中，幾乎沒有人考慮過磁場因素，這似乎有些奇怪。大多數(shù)宇宙學(xué)家?guī)缀醪粫紤]磁場。“每個人都知道這是一個很大的難題”，幾十年來，宇宙學(xué)家都無法判斷磁場是否真的普遍存在，以及是否真的是宇宙的原始組成部分，因此他們基本上不會關(guān)注這方面。
與此同時，天體物理學(xué)家一直在收集數(shù)據(jù)。這些證據(jù)的分量使他們中的大多數(shù)人猜測，磁場確實無處不在。
宇宙的 “磁性之魂”
人類利用自然磁化的巖石制作指南針的歷史已有數(shù)千年。1600 年，英國科學(xué)家威廉 · 吉爾伯特（William Gilbert）通過對磁石的研究，認(rèn)為磁石的磁力 “彷如靈魂”。他正確地推測地球本身是一塊 “巨大的磁鐵”，而天然磁石會 “朝向地球的兩極”。
只要有電荷流動，就會產(chǎn)生磁場。例如，地球的磁場來自于其內(nèi)部的 “發(fā)電機(jī)”，即在地核中熔融鐵對流運動所產(chǎn)生的電流。冰箱磁貼和磁石的磁場來自圍繞其組成原子旋轉(zhuǎn)的電子。
宇宙學(xué)模擬對磁場如何滲透到星系團(tuán)中給出了兩種可能的解釋。左邊是大爆炸后瞬間彌散在宇宙中的統(tǒng)一 “種子”田。在右邊，天體形成過程（例如恒星形成和物質(zhì)流入超大質(zhì)量黑洞）會產(chǎn)生磁化風(fēng)，這些風(fēng)會從星系中溢出。
然而，一旦運動中的帶電粒子產(chǎn)生了 “種子”磁場，后者就可以與較弱的磁場結(jié)合，變得更大、更強(qiáng)。磁場 “有點像生命體”，因為磁場會接入所有可以抓住的自由能量源，并繼續(xù)成長，它們可以傳播并影響其他區(qū)域，也會在那里成長。
磁力是除引力之外唯一能塑造宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的力，因為只有磁力和引力才能跨越遙遠(yuǎn)的距離 “觸及你”。相比之下，電場是局部、短暫的，因為任何地方的正電荷和負(fù)電荷都會在整體上抵消。但是你無法消除磁場；它們往往會累積并保留下來。
然而，盡管有著如此大的能量，這些磁場依然保持著 “低姿態(tài)”。它們是無形的，只有對其他事物起作用時才能覺察到。荷蘭萊頓大學(xué)的天文學(xué)家雷努特 · 范維倫（Reinout van Weeren）參與了最近對磁化纖維結(jié)構(gòu)的探測，他說：“你不可能拍一張磁場的照片；它的原理不是這樣的?！?/p>
在去年發(fā)表的一篇論文中，雷努特 · 范維倫和 28 位合著者推斷出在星系團(tuán) Abell 399 和 Abell 401 之間的纖維中存在磁場，因為他們探測到穿過其中的高速電子和其他帶電粒子會改變方向。當(dāng)這些帶電粒子的路徑在磁場中扭曲時，它們會釋放微弱的 “磁阻尼輻射”（synchrotron radiation）。
磁阻尼輻射信號在低頻無線電波下最強(qiáng)，這為國際低頻陣列射電望遠(yuǎn)鏡（LOFAR）的探測提供了條件。LOFAR 是一個分布在歐洲各地的射電望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，由 2 萬個低頻無線電天線組成。
LOFAR 由遍布?xì)W洲的 20,000 個單獨的無線電天線組成。
2014 年，LOFAR 團(tuán)隊僅用了 8 個小時就從纖維結(jié)構(gòu)上收集了數(shù)據(jù)，但射電天文學(xué)界花費了數(shù)年時間來研究如何校準(zhǔn) LOFAR 的測量值，使這些數(shù)據(jù)一直靜靜等待著。地球的大氣層會折射到達(dá)地面的無線電波，因此 LOFAR 就像站在游泳池底部觀察宇宙一樣。研究人員跟蹤天空中 “信標(biāo)”（位置精確的無線電發(fā)射器）的擺動，并通過校正這種擺動使所有數(shù)據(jù)變得清晰，從而解決這個問題。當(dāng)他們將去模糊算法應(yīng)用到纖維的數(shù)據(jù)時，他們立刻看到了磁阻尼輻射釋放的信號。
這個纖維結(jié)構(gòu)看起來已經(jīng)被完全磁化，而不僅僅出現(xiàn)于從兩端對向移動的星系團(tuán)附近。研究人員目前正在分析一個 50 小時的數(shù)據(jù)集，他們希望從中揭示更多的細(xì)節(jié)。最近更多的觀測發(fā)現(xiàn)，磁場已經(jīng)延伸到第二個纖維結(jié)構(gòu)。研究人員計劃于近期發(fā)表這項研究成果。
至少存在于這兩個纖維中的巨大磁場提供了重要的新信息。“這激起了相當(dāng)多的活動，”雷努特 · 范維倫說，“因為現(xiàn)在我們知道，這些磁場是相對較強(qiáng)的?！?/p>
一束穿過空洞的光
如果這些磁場是在宇宙初期產(chǎn)生的，那么問題就變成：它們是如何產(chǎn)生的？人們對這個問題已經(jīng)思考了很長時間。
1991 年的理論提出，這些磁場可能是在電弱相轉(zhuǎn)變期間出現(xiàn)的。電弱相變發(fā)生在大爆炸后的極短瞬間，電磁力和弱核力分離，不再合并成單一的電弱相互作用。另一些人則認(rèn)為，磁場在質(zhì)子形成后幾微秒后才具體化?；蛘咴谀侵蟛痪茫阂压实奶祗w物理學(xué)家泰德 · 哈里森（Ted Harrison）在 1973 年提出了最早的原始磁生成理論，認(rèn)為質(zhì)子和電子的湍流等離子體可能導(dǎo)致了第一個磁場的形成。還有一些人提出，在這一切發(fā)生之前，即在宇宙暴脹過程中，空間就被磁化了。宇宙暴脹是空間的爆發(fā)性膨脹，據(jù)稱是宇宙大爆炸的開始。還有一種可能是，磁場直到大爆炸 10 億年后，宇宙結(jié)構(gòu)形成時才產(chǎn)生。
檢驗磁生成理論的方法是研究最原始的星系間空間的磁場模式，比如纖維中安靜的部分和更空曠的空洞。某些細(xì)節(jié)，比如磁場線是平滑的、螺旋狀的還是 “像紗線球一樣到處彎曲”（按瓦查斯帕蒂所說），以及模式在不同地方和不同尺度上如何變化，都攜帶著豐富的信息。我們可以用這些信息與理論和模擬結(jié)果進(jìn)行比較。例如，如果磁場在電弱相變期間出現(xiàn)，那么由此產(chǎn)生的磁場線應(yīng)該是螺旋的，“就像開瓶器一樣”。
問題是，我們很難探測到?jīng)]有推動任何東西的力場。早在 1845 年，英國科學(xué)家邁克爾 · 法拉第（Michael Faraday）就創(chuàng)立了一種探測磁場的方法，原理是線性偏振的光線在穿過磁場時會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。“法拉第旋轉(zhuǎn)”（又稱 “法拉第效應(yīng)”）的量取決于磁場的強(qiáng)度和光的頻率。因此，通過測量不同頻率的偏振，我們就可以推斷出沿光波傳播方向的磁性強(qiáng)度。如果在不同的地方這樣做，你就可以制作出（磁場的）三維地圖。
塞繆爾 · 維拉斯科 / Quanta 雜志
研究人員已經(jīng)開始使用 LOFAR 對 “法拉第旋轉(zhuǎn)”進(jìn)行粗略的測量，但望遠(yuǎn)鏡很難分辨出極其微弱的信號。天文學(xué)家瓦倫蒂娜 · 維卡幾年前設(shè)計了一種算法，通過將許多空曠區(qū)域的測量數(shù)據(jù)疊加在一起，從統(tǒng)計學(xué)上梳理出細(xì)微的法拉第旋轉(zhuǎn)信號。“原理上，這種方法可以應(yīng)用于空洞，”維卡說道。
當(dāng)下一代射電望遠(yuǎn)鏡于 2027 年投入使用的時候，通過法拉第旋轉(zhuǎn)探測磁場的技術(shù)將真正起飛。這是一個龐大的國際項目，稱為 “平方千米陣”（Square Kilometer Array，簡稱 SKA）。平方千米陣將形成一個很棒的法拉第旋轉(zhuǎn)信號探測網(wǎng)。該陣列將由上千臺射電望遠(yuǎn)鏡組成，預(yù)計將探測到宇宙大爆炸之后第一代恒星和星系形成時發(fā)出的電磁波，揭示磁場在恒星和星系演化過程中的作用，并探測暗能量產(chǎn)生的種種效應(yīng)。
目前，空洞中存在磁性的唯一證據(jù)是，天文學(xué)家在觀察位于空洞后方的耀變體時，沒有觀察到朝向地球的噴流。
耀變體是宇宙中最高能的現(xiàn)象之一，由來自于超大質(zhì)量黑洞的伽馬射線和其他高能的光線及物質(zhì)組成。當(dāng)伽瑪射線在太空中傳播時，它們有時會與遠(yuǎn)古的微波發(fā)生碰撞，變成電子和正電子。然后這些粒子熄滅，變成低能量的伽馬射線。
但是在 2010 年，瑞士日內(nèi)瓦天文臺的安德里 · 尼羅諾夫（Andrii Neronov）和伊夫根 · 沃夫克（Ievgen Vovk）提出，如果耀變體的明亮光束穿過一個磁化的空洞，低能量的伽馬射線似乎就會消失。磁場會使電子和正電子偏轉(zhuǎn)到視線之外。因此，當(dāng)它們衰變?yōu)榈湍苜ゑR射線時，這些伽馬射線就不會朝向地球。
事實上，當(dāng)尼羅諾夫和沃夫克對另一個適當(dāng)位置的耀變體的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時，他們看到了高能伽馬射線，而不是低能伽馬射線信號。瓦查斯帕蒂說：“信號的缺失才是真正的信號?！?/p>
“無信號”很難成為確鑿的證據(jù)，已經(jīng)有研究者提出了關(guān)于伽馬射線消失的另一種解釋。然而，后續(xù)的觀察越來越指向尼羅諾夫和沃夫克的假說，即空洞被磁化了。這是多數(shù)人的看法，最具有說服力的是，在 2015 年，一個團(tuán)隊將許多對耀變體的測量數(shù)據(jù)疊加在空洞后面，成功地梳理出耀變體周圍低能伽馬射線的微弱光暈。這種效果與預(yù)期的完全一致，即粒子在微弱的磁場——測量結(jié)果僅為冰箱磁貼強(qiáng)度的萬億分之一的百萬分之一——影響下變得分散。
宇宙最大的謎團(tuán)
引人注目的是，這種原始磁場的精確強(qiáng)度可能正是解決 “哈勃沖突”所需要的。研究人員在一個充滿等離子體的模擬年輕宇宙中加入弱磁場，發(fā)現(xiàn)等離子體中的質(zhì)子和電子沿著磁場線飛行，并在磁場強(qiáng)度最弱的區(qū)域積累。這種聚集效應(yīng)使帶電的質(zhì)子和電子結(jié)合成電中性的氫原子。這種結(jié)合被稱為 “復(fù)合”（recombination），是宇宙誕生早期的一種相變。
這個發(fā)現(xiàn)可以解決 “哈勃沖突”。宇宙學(xué)家通過觀察復(fù)合過程中發(fā)出的古老輻射，計算出今天空間膨脹的速度。這束古老的光顯示了一個年輕的宇宙，其中布滿了由聲波在原始等離子體中振蕩而形成的團(tuán)塊。如果由于磁場的聚集效應(yīng)，復(fù)合的時間比原先預(yù)想的更早，那么聲波就不能提前傳播那么遠(yuǎn)，產(chǎn)生的團(tuán)塊也會更小。這意味著我們在天空中觀察到的那些復(fù)合時期遺留的成團(tuán)特征，其傳播距離肯定比研究人員預(yù)想的更短。來自這些團(tuán)塊的光在被我們觀察到時，所經(jīng)過的距離也更短，意味著這些光一定穿越了膨脹更快的空間?！斑@就如同在一個不斷擴(kuò)張的表面上奔跑；你走過的距離會變短”。
結(jié)果就是，團(tuán)塊越小，意味著由此推斷出的宇宙膨脹速率就越高，而這一膨脹速率也更接近超新星和其他天體實際上正在飛離的速度。
這可能會向我們揭示（磁場的）實際存在。計算結(jié)果表明，解決哈勃沖突所需的原始磁場強(qiáng)度的確與耀變體的觀測結(jié)果，以及形成橫跨星系團(tuán)和纖維的巨大磁場所需的初始磁場的估計值一致。
“如果結(jié)論證明是正確的話，一切都可以串聯(lián)起來”。
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