科学好故事 | 遍布宇宙的无形磁场

Daphane

来源：Quanta Magazine  作者：Natalie Wolchover 翻译：任天



天文学家发现，磁场遍布宇宙的大部分区域，如果这些磁场可以追溯到大爆炸时期，一个重要的宇宙学谜题可能就会因此迎刃而解。
　　这些磁场的存在似乎有些莫名其妙——来自与冰箱磁贴同样的实体——围绕着地球、太阳和所有星系。20年前，天文学家开始在星系团中探测到磁场，包括星系之间的空间。无数隐形的磁力线就像指纹一般，穿梭于星系空间。
　　2019年，天文学家终于成功对星系团之间的广阔空间进行了探测。这是一个更加稀疏的空间区域，在那里，他们发现了迄今为止最大的磁场：长度达1000万光年的磁化空间，横跨宇宙网的一整条“纤维”！
　　利用同样的技术，天文学家在宇宙的其他地方发现了第二条磁化“纤维”，但这可能只是目前人类能看到的“冰山一角”。

问题是：这些巨大的磁场从何而来？
　　天体物理学家对宇宙磁场进行了最先进的计算机模拟，很明显，这与单个星系的活动、单次爆炸，或者超新星风没有关系，并且远远不止于此。
　　一种可能是，宇宙中的磁力是原始的，可以追溯到宇宙的诞生。在这种情况下，弱磁性应该无处不在，甚至存在于宇宙网的“空洞”（void）中。在天文学中，空洞是指纤维状结构之间的空间，堪称宇宙中最黑暗、最空旷的区域，无所不在的磁力会在星系和星系团中孕育出更强的磁场。

宇宙磁场

　　原始磁力也可能有助于解决另一个宇宙学难题：哈勃冲突（Hubble tension）。这可能是宇宙学中最热门的话题之一。
　　哈勃冲突问题的核心是，根据已知的成分，宇宙膨胀的速度似乎明显快于预期。今年4月，宇宙学家卡尔斯顿·让达齐克（Karsten Jedamzik）和列翁·波戈相（Levon Pogosian）在线发表了一篇论文，目前正在接受评审。他们在论文中指出，早期宇宙的弱磁场可能导致了今天所见到的宇宙膨胀速度比理论值更快。
　　原始磁场对哈勃冲突的解释简洁明了，以致于让达齐克和波戈相的论文迅速引起了人们的注意。这是一篇优秀的论文，想法很不。
　　该观点还需要更多的检验，以确保早期的磁场不会影响其他宇宙学运算，即使这个想法在纸面上可行，研究人员也需要找到原始磁场的确凿证据，以确定这就是塑造宇宙的缺失因素。
　　尽管如此，在这么多年来对哈勃冲突的讨论中，几乎没有人考虑过磁场因素，这似乎有些奇怪。大多数宇宙学家几乎不会考虑磁场。“每个人都知道这是一个很大的难题”，几十年来，宇宙学家都无法判断磁场是否真的普遍存在，以及是否真的是宇宙的原始组成部分，因此他们基本上不会关注这方面。
　　与此同时，天体物理学家一直在收集数据。这些证据的分量使他们中的大多数人猜测，磁场确实无处不在。
　　宇宙的“磁性之魂”
　　人类利用自然磁化的岩石制作指南针的历史已有数千年。1600年，英国科学家威廉·吉尔伯特（William Gilbert）通过对磁石的研究，认为磁石的磁力“彷如灵魂”。他正确地推测地球本身是一块“巨大的磁铁”，而天然磁石会“朝向地球的两极”。
　　只要有电荷流动，就会产生磁场。例如，地球的磁场来自于其内部的“发电机”，即在地核中熔融铁对流运动所产生的电流。冰箱磁贴和磁石的磁场来自围绕其组成原子旋转的电子。
　　然而，一旦运动中的带电粒子产生了“种子”磁场，后者就可以与较弱的磁场结合，变得更大、更强。磁场“有点像生命体”，因为磁场会接入所有可以抓住的自由能量源，并继续成长，它们可以传播并影响其他区域，也会在那里成长。
　　磁力是除引力之外唯一能塑造宇宙大尺度结构的力，因为只有磁力和引力才能跨越遥远的距离“触及你”。相比之下，电场是局部、短暂的，因为任何地方的正电荷和负电荷都会在整体上抵消。但是你无法消除磁场；它们往往会累积并保留下来。
　　然而，尽管有着如此大的能量，这些磁场依然保持着“低姿态”。它们是无形的，只有对其他事物起作用时才能觉察到。荷兰莱顿大学的天文学家雷努特·范维伦（Reinout van Weeren）参与了最近对磁化纤维结构的探测，他说：“你不可能拍一张磁场的照片；它的原理不是这样的。”
　　在去年发表的一篇论文中，雷努特·范维伦和28位合著者推断出在星系团Abell 399和Abell 401之间的纤维中存在磁场，因为他们探测到穿过其中的高速电子和其他带电粒子会改变方向。当这些带电粒子的路径在磁场中扭曲时，它们会释放微弱的“磁阻尼辐射”（synchrotron radiation）。
　　磁阻尼辐射信号在低频无线电波下最强，这为国际低频阵列射电望远镜（LOFAR）的探测提供了条件。LOFAR是一个分布在欧洲各地的射电望远镜网络，由2万个低频无线电天线组成。

LOFAR由遍布欧洲的20，000个单独的无线电天线组成。

　　2014年，LOFAR团队仅用了8个小时就从纤维结构上收集了数据，但射电天文学界花费了数年时间来研究如何校准LOFAR的测量值，使这些数据一直静静等待着。地球的大气层会折射到达地面的无线电波，因此LOFAR就像站在游泳池底部观察宇宙一样。研究人员跟踪天空中“信标”（位置精确的无线电发射器）的摆动，并通过校正这种摆动使所有数据变得清晰，从而解决这个问题。当他们将去模糊算法应用到纤维的数据时，他们立刻看到了磁阻尼辐射释放的信号。

宇宙学模拟对磁场如何渗透到星系团中给出了两种可能的解释。左边是大爆炸后瞬间弥散在宇宙中的统一“种子”田。在右边，天体形成过程（例如恒星形成和物质流入超大质量黑洞）会产生磁化风，这些风会从星系中溢出。

　　这个纤维结构看起来已经被完全磁化，而不仅仅出现于从两端对向移动的星系团附近。研究人员目前正在分析一个50小时的数据集，他们希望从中揭示更多的细节。最近更多的观测发现，磁场已经延伸到第二个纤维结构。研究人员计划于近期发表这项研究成果。
　　至少存在于这两个纤维中的巨大磁场提供了重要的新信息。“这激起了相当多的活动，”雷努特·范维伦说，“因为现在我们知道，这些磁场是相对较强的。”
　　一束穿过空洞的光
　　如果这些磁场是在宇宙初期产生的，那么问题就变成：它们是如何产生的？人们对这个问题已经思考了很长时间。
　　1991年的理论提出，这些磁场可能是在电弱相转变期间出现的。电弱相变发生在大爆炸后的极短瞬间，电磁力和弱核力分离，不再合并成单一的电弱相互作用。另一些人则认为，磁场在质子形成后几微秒后才具体化。或者在那之后不久：已故的天体物理学家泰德·哈里森（Ted Harrison）在1973年提出了最早的原始磁生成理论，认为质子和电子的湍流等离子体可能导致了第一个磁场的形成。还有一些人提出，在这一切发生之前，即在宇宙暴胀过程中，空间就被磁化了。宇宙暴胀是空间的爆发性膨胀，据称是宇宙大爆炸的开始。还有一种可能是，磁场直到大爆炸10亿年后，宇宙结构形成时才产生。
　　检验磁生成理论的方法是研究最原始的星系间空间的磁场模式，比如纤维中安静的部分和更空旷的空洞。某些细节，比如磁场线是平滑的、螺旋状的还是“像纱线球一样到处弯曲”（按瓦查斯帕蒂所说），以及模式在不同地方和不同尺度上如何变化，都携带着丰富的信息。我们可以用这些信息与理论和模拟结果进行比较。例如，如果磁场在电弱相变期间出现，那么由此产生的磁场线应该是螺旋的，“就像开瓶器一样”。
　　问题是，我们很难探测到没有推动任何东西的力场。早在1845年，英国科学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）就创立了一种探测磁场的方法，原理是线性偏振的光线在穿过磁场时会发生旋转。“法拉第旋转”（又称“法拉第效应”）的量取决于磁场的强度和光的频率。因此，通过测量不同频率的偏振，我们就可以推断出沿光波传播方向的磁性强度。如果在不同的地方这样做，你就可以制作出（磁场的）三维地图。

同步辐射和法拉第旋转图

　　研究人员已经开始使用LOFAR对“法拉第旋转”进行粗略的测量，但望远镜很难分辨出极其微弱的信号。天文学家瓦伦蒂娜·维卡几年前设计了一种算法，通过将许多空旷区域的测量数据叠加在一起，从统计学上梳理出细微的法拉第旋转信号。“原理上，这种方法可以应用于空洞，”维卡说道。
　　当下一代射电望远镜于2027年投入使用的时候，通过法拉第旋转探测磁场的技术将真正起飞。这是一个庞大的国际项目，称为“平方千米阵”（Square Kilometer Array，简称SKA）。平方千米阵将形成一个很棒的法拉第旋转信号探测网。该阵列将由上千台射电望远镜组成，预计将探测到宇宙大爆炸之后第一代恒星和星系形成时发出的电磁波，揭示磁场在恒星和星系演化过程中的作用，并探测暗能量产生的种种效应。
　　目前，空洞中存在磁性的唯一证据是，天文学家在观察位于空洞后方的耀变体时，没有观察到朝向地球的喷流。
　　耀变体是宇宙中最高能的现象之一，由来自于超大质量黑洞的伽马射线和其他高能的光线及物质组成。当伽玛射线在太空中传播时，它们有时会与远古的微波发生碰撞，变成电子和正电子。然后这些粒子熄灭，变成低能量的伽马射线。
　　但是在2010年，瑞士日内瓦天文台的安德里·尼罗诺夫（Andrii Neronov）和伊夫根·沃夫克（Ievgen Vovk）提出，如果耀变体的明亮光束穿过一个磁化的空洞，低能量的伽马射线似乎就会消失。磁场会使电子和正电子偏转到视线之外。因此，当它们衰变为低能伽马射线时，这些伽马射线就不会朝向地球。

如何使用blazars探测磁场

　　事实上，当尼罗诺夫和沃夫克对另一个适当位置的耀变体的数据进行分析时，他们看到了高能伽马射线，而不是低能伽马射线信号。瓦查斯帕蒂说：“信号的缺失才是真正的信号。”
　　“无信号”很难成为确凿的证据，已经有研究者提出了关于伽马射线消失的另一种解释。然而，后续的观察越来越指向尼罗诺夫和沃夫克的假说，即空洞被磁化了。这是多数人的看法，最具有说服力的是，在2015年，一个团队将许多对耀变体的测量数据叠加在空洞后面，成功地梳理出耀变体周围低能伽马射线的微弱光晕。这种效果与预期的完全一致，即粒子在微弱的磁场——测量结果仅为冰箱磁贴强度的万亿分之一的百万分之一——影响下变得分散。
　　宇宙最大的谜团
　　引人注目的是，这种原始磁场的精确强度可能正是解决“哈勃冲突”所需要的。研究人员在一个充满等离子体的模拟年轻宇宙中加入弱磁场，发现等离子体中的质子和电子沿着磁场线飞行，并在磁场强度最弱的区域积累。这种聚集效应使带电的质子和电子结合成电中性的氢原子。这种结合被称为“复合”（recombination），是宇宙诞生早期的一种相变。
　　这个发现可以解决“哈勃冲突”。宇宙学家通过观察复合过程中发出的古老辐射，计算出今天空间膨胀的速度。这束古老的光显示了一个年轻的宇宙，其中布满了由声波在原始等离子体中振荡而形成的团块。如果由于磁场的聚集效应，复合的时间比原先预想的更早，那么声波就不能提前传播那么远，产生的团块也会更小。这意味着我们在天空中观察到的那些复合时期遗留的成团特征，其传播距离肯定比研究人员预想的更短。来自这些团块的光在被我们观察到时，所经过的距离也更短，意味着这些光一定穿越了膨胀更快的空间。“这就如同在一个不断扩张的表面上奔跑；你走过的距离会变短”。
　　结果就是，团块越小，意味着由此推断出的宇宙膨胀速率就越高，而这一膨胀速率也更接近超新星和其他天体实际上正在飞离的速度。
　　这可能会向我们揭示（磁场的）实际存在。计算结果表明，解决哈勃冲突所需的原始磁场强度的确与耀变体的观测结果，以及形成横跨星系团和纤维的巨大磁场所需的初始磁场的估计值一致。
　　“如果结论证明是正确的话，一切都可以串联起来”。