遍布宇宙的無(wú)形磁場(chǎng)

天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)遍布宇宙的大部分區(qū)域，如果這些磁場(chǎng)可以追溯到大爆炸時(shí)期，一個(gè)重要的宇宙學(xué)謎題可能就會(huì)因此迎刃而解。

這些磁場(chǎng)的存在似乎有些莫名其妙——來(lái)自與冰箱磁貼同樣的實(shí)體——圍繞著地球、太陽(yáng)和所有星系。20 年前，天文學(xué)家開(kāi)始在星系團(tuán)中探測(cè)到磁場(chǎng)，包括星系之間的空間。無(wú)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(duì)星系團(tuán)之間的廣闊空間進(jìn)行了探測(cè)。這是一個(gè)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(chǎng)：長(zhǎng)度達(dá) 1000 萬(wàn)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”。

天體物理學(xué)家對(duì)宇宙磁場(chǎng)進(jìn)行了最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬，很明顯，這與單個(gè)星系的活動(dòng)、單次爆炸，或者超新星風(fēng)沒(méi)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(wú)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(wú)所不在的磁力會(huì)在星系和星系團(tuán)中孕育出更強(qiáng)的磁場(chǎng)。

原始磁力也可能有助于解決另一個(gè)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(wèn)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(píng)審。他們?cè)谡撐闹兄赋?，早期宇宙的弱磁?chǎng)可能導(dǎo)致了今天所見(jiàn)到的宇宙膨脹速度比理論值更快。

原始磁場(chǎng)對(duì)哈勃沖突的解釋簡(jiǎn)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(diǎn)還需要更多的檢驗(yàn)，以確保早期的磁場(chǎng)不會(huì)影響其他宇宙學(xué)運(yùn)算，即使這個(gè)想法在紙面上可行，研究人員也需要找到原始磁場(chǎng)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(lái)對(duì)哈勃沖突的討論中，幾乎沒(méi)有人考慮過(guò)磁場(chǎng)因素，這似乎有些奇怪。大多數(shù)宇宙學(xué)家?guī)缀醪粫?huì)考慮磁場(chǎng)?！懊總€(gè)人都知道這是一個(gè)很大的難題”，幾十年來(lái)，宇宙學(xué)家都無(wú)法判斷磁場(chǎng)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(huì)關(guān)注這方面。

與此同時(shí)，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(cè)，磁場(chǎng)確實(shí)無(wú)處不在。

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(guó)科學(xué)家威廉 · 吉爾伯特（William Gilbert）通過(guò)對(duì)磁石的研究，認(rèn)為磁石的磁力 “彷如靈魂”。他正確地推測(cè)地球本身是一塊 “巨大的磁鐵”，而天然磁石會(huì) “朝向地球的兩極”。

只要有電荷流動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。例如，地球的磁場(chǎng)來(lái)自于其內(nèi)部的 “發(fā)電機(jī)”，即在地核中熔融鐵對(duì)流運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的電流。冰箱磁貼和磁石的磁場(chǎng)來(lái)自圍繞其組成原子旋轉(zhuǎn)的電子。

宇宙學(xué)模擬對(duì)磁場(chǎng)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(guò)程（例如恒星形成和物質(zhì)流入超大質(zhì)量黑洞）會(huì)產(chǎn)生磁化風(fēng)，這些風(fēng)會(huì)從星系中溢出。

然而，一旦運(yùn)動(dòng)中的帶電粒子產(chǎn)生了 “種子”磁場(chǎng)，后者就可以與較弱的磁場(chǎng)結(jié)合，變得更大、更強(qiáng)。磁場(chǎng) “有點(diǎn)像生命體”，因?yàn)榇艌?chǎng)會(huì)接入所有可以抓住的自由能量源，并繼續(xù)成長(zhǎng)，它們可以傳播并影響其他區(qū)域，也會(huì)在那里成長(zhǎng)。

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?yàn)橹挥写帕鸵Σ拍芸缭竭b遠(yuǎn)的距離 “觸及你”。相比之下，電場(chǎng)是局部、短暫的，因?yàn)槿魏蔚胤降恼姾珊拓?fù)電荷都會(huì)在整體上抵消。但是你無(wú)法消除磁場(chǎng)；它們往往會(huì)累積并保留下來(lái)。

然而，盡管有著如此大的能量，這些磁場(chǎng)依然保持著 “低姿態(tài)”。它們是無(wú)形的，只有對(duì)其他事物起作用時(shí)才能覺(jué)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(duì)磁化纖維結(jié)構(gòu)的探測(cè)，他說(shuō)：“你不可能拍一張磁場(chǎng)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(chǎng)，因?yàn)樗麄兲綔y(cè)到穿過(guò)其中的高速電子和其他帶電粒子會(huì)改變方向。當(dāng)這些帶電粒子的路徑在磁場(chǎng)中扭曲時(shí)，它們會(huì)釋放微弱的 “磁阻尼輻射”（synchrotron radiation）。

磁阻尼輻射信號(hào)在低頻無(wú)線電波下最強(qiáng)，這為國(guó)際低頻陣列射電望遠(yuǎn)鏡（LOFAR）的探測(cè)提供了條件。LOFAR 是一個(gè)分布在歐洲各地的射電望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，由 2 萬(wàn)個(gè)低頻無(wú)線電天線組成。

LOFAR 由遍布?xì)W洲的 20,000 個(gè)單獨(dú)的無(wú)線電天線組成。

2014 年，LOFAR 團(tuán)隊(duì)僅用了 8 個(gè)小時(shí)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(fèi)了數(shù)年時(shí)間來(lái)研究如何校準(zhǔn) LOFAR 的測(cè)量值，使這些數(shù)據(jù)一直靜靜等待著。地球的大氣層會(huì)折射到達(dá)地面的無(wú)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(wú)線電發(fā)射器）的擺動(dòng)，并通過(guò)校正這種擺動(dòng)使所有數(shù)據(jù)變得清晰，從而解決這個(gè)問(wèn)題。當(dāng)他們將去模糊算法應(yīng)用到纖維的數(shù)據(jù)時(shí)，他們立刻看到了磁阻尼輻射釋放的信號(hào)。

這個(gè)纖維結(jié)構(gòu)看起來(lái)已經(jīng)被完全磁化，而不僅僅出現(xiàn)于從兩端對(duì)向移動(dòng)的星系團(tuán)附近。研究人員目前正在分析一個(gè) 50 小時(shí)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(cè)發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)已經(jīng)延伸到第二個(gè)纖維結(jié)構(gòu)。研究人員計(jì)劃于近期發(fā)表這項(xiàng)研究成果。

至少存在于這兩個(gè)纖維中的巨大磁場(chǎng)提供了重要的新信息?！斑@激起了相當(dāng)多的活動(dòng)，”雷努特 · 范維倫說(shuō)，“因?yàn)楝F(xiàn)在我們知道，這些磁場(chǎng)是相對(duì)較強(qiáng)的?！?/p>一束穿過(guò)空洞的光

如果這些磁場(chǎng)是在宇宙初期產(chǎn)生的，那么問(wèn)題就變成：它們是如何產(chǎn)生的？人們對(duì)這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)思考了很長(zhǎng)時(shí)間。

1991 年的理論提出，這些磁場(chǎng)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(chǎng)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(gè)磁場(chǎng)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(guò)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(kāi)始。還有一種可能是，磁場(chǎng)直到大爆炸 10 億年后，宇宙結(jié)構(gòu)形成時(shí)才產(chǎn)生。

檢驗(yàn)磁生成理論的方法是研究最原始的星系間空間的磁場(chǎng)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(chǎng)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(shuō)），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(chǎng)在電弱相變期間出現(xiàn)，那么由此產(chǎn)生的磁場(chǎng)線應(yīng)該是螺旋的，“就像開(kāi)瓶器一樣”。

問(wèn)題是，我們很難探測(cè)到?jīng)]有推動(dòng)任何東西的力場(chǎng)。早在 1845 年，英國(guó)科學(xué)家邁克爾 · 法拉第（Michael Faraday）就創(chuàng)立了一種探測(cè)磁場(chǎng)的方法，原理是線性偏振的光線在穿過(guò)磁場(chǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)?！胺ɡ谛D(zhuǎn)”（又稱 “法拉第效應(yīng)”）的量取決于磁場(chǎng)的強(qiáng)度和光的頻率。因此，通過(guò)測(cè)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(chǎng)的）三維地圖。

塞繆爾 · 維拉斯科 / Quanta 雜志

研究人員已經(jīng)開(kāi)始使用 LOFAR 對(duì) “法拉第旋轉(zhuǎn)”進(jìn)行粗略的測(cè)量，但望遠(yuǎn)鏡很難分辨出極其微弱的信號(hào)。天文學(xué)家瓦倫蒂娜 · 維卡幾年前設(shè)計(jì)了一種算法，通過(guò)將許多空曠區(qū)域的測(cè)量數(shù)據(jù)疊加在一起，從統(tǒng)計(jì)學(xué)上梳理出細(xì)微的法拉第旋轉(zhuǎn)信號(hào)?！霸砩希@種方法可以應(yīng)用于空洞，”維卡說(shuō)道。

當(dāng)下一代射電望遠(yuǎn)鏡于 2027 年投入使用的時(shí)候，通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)探測(cè)磁場(chǎng)的技術(shù)將真正起飛。這是一個(gè)龐大的國(guó)際項(xiàng)目，稱為 “平方千米陣”（Square Kilometer Array，簡(jiǎn)稱 SKA）。平方千米陣將形成一個(gè)很棒的法拉第旋轉(zhuǎn)信號(hào)探測(cè)網(wǎng)。該陣列將由上千臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡組成，預(yù)計(jì)將探測(cè)到宇宙大爆炸之后第一代恒星和星系形成時(shí)發(fā)出的電磁波，揭示磁場(chǎng)在恒星和星系演化過(guò)程中的作用，并探測(cè)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(shí)，沒(méi)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(lái)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(shí)，它們有時(shí)會(huì)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(tái)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(guò)一個(gè)磁化的空洞，低能量的伽馬射線似乎就會(huì)消失。磁場(chǎng)會(huì)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(shí)，這些伽馬射線就不會(huì)朝向地球。

事實(shí)上，當(dāng)尼羅諾夫和沃夫克對(duì)另一個(gè)適當(dāng)位置的耀變體的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，他們看到了高能伽馬射線，而不是低能伽馬射線信號(hào)。瓦查斯帕蒂說(shuō)：“信號(hào)的缺失才是真正的信號(hào)?！?/p>

“無(wú)信號(hào)”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(lái)越指向尼羅諾夫和沃夫克的假說(shuō)，即空洞被磁化了。這是多數(shù)人的看法，最具有說(shuō)服力的是，在 2015 年，一個(gè)團(tuán)隊(duì)將許多對(duì)耀變體的測(cè)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(chǎng)——測(cè)量結(jié)果僅為冰箱磁貼強(qiáng)度的萬(wàn)億分之一的百萬(wàn)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(chǎng)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(gè)充滿等離子體的模擬年輕宇宙中加入弱磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)等離子體中的質(zhì)子和電子沿著磁場(chǎng)線飛行，并在磁場(chǎng)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(gè)發(fā)現(xiàn)可以解決 “哈勃沖突”。宇宙學(xué)家通過(guò)觀察復(fù)合過(guò)程中發(fā)出的古老輻射，計(jì)算出今天空間膨脹的速度。這束古老的光顯示了一個(gè)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(chǎng)的聚集效應(yīng)，復(fù)合的時(shí)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(huì)更小。這意味著我們?cè)谔炜罩杏^察到的那些復(fù)合時(shí)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(lái)自這些團(tuán)塊的光在被我們觀察到時(shí)，所經(jīng)過(guò)的距離也更短，意味著這些光一定穿越了膨脹更快的空間。“這就如同在一個(gè)不斷擴(kuò)張的表面上奔跑；你走過(guò)的距離會(huì)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(shí)際上正在飛離的速度。

這可能會(huì)向我們揭示（磁場(chǎng)的）實(shí)際存在。計(jì)算結(jié)果表明，解決哈勃沖突所需的原始磁場(chǎng)強(qiáng)度的確與耀變體的觀測(cè)結(jié)果，以及形成橫跨星系團(tuán)和纖維的巨大磁場(chǎng)所需的初始磁場(chǎng)的估計(jì)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(lái)”。