塑造宇宙的磁场，来自何处？（组图）

Daphane

信源：果殼網

塑造我們的宇宙的力量，並非只有引力一個。長久以來一直被人遺忘的磁場，或許也在其中起到了不可忽視的作用。



每每談到宇宙，引力就當仁不讓。是它讓我們的雙腳牢牢地站在地上，也是它塑造了我們的宇宙。它使得氣體雲發生坍縮，進而形成恆星和行星。它孕育了星系中數千億顆的恆星，也正是在它的作用下，星系聚集成了星系團，進一步又形成了超星系團。然而，在這場游戲中，引力並非唯一的玩家----還有一種力縱橫於宇宙之間，它就是磁力。

在接近真空的宇宙里，磁場可以延伸到非常遠的距離，即便是星系間數十億光年的廣袤空間也不在話下。當然，這些磁場極其微弱。冰箱貼上磁鐵的磁場，與銀河系內外彌漫著的磁場相比，強度要高出100多萬倍。這也許正是在宇宙學中磁場往往會被忽略的原因。畢竟，這麽微不足道的東西怎麽會影響整個星系呢？

然而，時代和觀點正在發生改變。沒錯，引力把天體維系在了一起，但宇宙學中最關鍵的物理過程，從恆星形成到黑洞射出的高能噴流，都需要磁場的參與。“結果是，只要加入星際磁場的作用，之前天文學中許多的未解之謎，一下子就豁然開朗了，”澳大利亞悉尼大學的布賴恩・蓋斯勒（Bryan Gaensler）如是說。

對於更大尺度的宇宙而言，也是如此嗎？星系以及更大尺度上的磁場之所以如此吸引人，是因為它們也許是大爆炸後不久發生的某些物理過程的遺存。另外，宇宙中大多數可見的物質都由帶電粒子組成，它們的運動遵從於磁場和引力的支配。於是，這催生了一種誘人的可能性----從時間開始之初，磁場就在塑造宇宙的過程中扮演了關鍵的角色。

不過，在確定這一點之前，我們還需要回答一些重要的問題：磁場究竟是在何時，以何種方式形成的？

我們已經知道，磁場在我們地球附近起到了重要的作用。1835年，德國物理學家卡爾・弗里德里希・高斯（Carl Friedrich Gauss）借助系在一根線上的磁鐵，首次測量了地球磁場。現在，對於太陽和地球如何產生各自的磁場，我們已經有了很好的認識。當地球外核中的熔融鐵（或者太陽內部的等離子體）做切割磁力線運動的時候，會誘導產生電流。這些電流又會產生磁場，來補充業已存在的磁場。得益於這一發電機作用，微弱的“種子”磁場可以增長成強得多的磁場。

事情還不止於此。地球的磁場保護了臭氧層免受高能粒子的破壞，讓我們的地球不會暴露在有害的紫外線之下。太陽的磁場也保護著我們，偏轉了來自太陽系之外有害的粒子。在更大的尺度上，磁場甚至還有助於生命的起源。

然而，過去鮮有人預期，星際空間中會有磁場。第一個證據出現在1949年，當時美國天文學家約翰・霍爾（John Hall）和威廉・希爾特納（William Hiltner）發現，有“東西”使得星光在飛向我們的過程中發生了偏振。結果顯示，這樣東西其實就是宇宙磁場，它們會使得星際塵埃顆粒像微小的羅盤指針一樣整齊排列。蓋斯勒說，這是一項驚人的發現。

自那時起，一系列的技術被研發出來，用以測量銀河系以及近鄰星系中的磁場。2011年，德國馬普學會天體物理研究所的尼爾斯・奧珀曼（Niels Oppermann）及其同事，繪制了迄今最好的銀河系磁場分布圖，揭示出磁力線沿著銀河系的旋臂結構分布，還確認了銀河系的總磁場強度只有幾個微高斯（1微高斯 = 10-6高斯）----僅為地球表面磁場的十萬分之一。

天文學家相信，在類似銀河系的旋渦星系中，磁場會通過一個“發電機”而被放大和維持。隨著星系的自轉，帶電粒子會切割業已存在的磁場，使之進一步增強。“理論認為，星系誕生時伴有微弱得多的磁場，” 加拿大女王大學的天體物理學家拉里・威德羅（Larry Widrow）說，“但這些作為發電機種子的微弱原初磁場，又是從哪兒來的呢？”

最初的磁場

幾十年來，科學家一直試圖解開這個謎題，但他們的儀器設備還沒有足夠的靈敏度，來檢驗任何一個理論。

於是，有關的模型層出不窮。一種理論認為，最初的磁場由極早期的恆星產生，然後通過星風或者超新星爆發，擴散到了星際介質當中。另一種理論則認為，大約在大爆炸之後1億年，當第一代星系形成時，位於其中心的超大質量黑洞產生了極強的磁場，之後被它強勁的噴流送入了星系際空間。一種新近的觀點則認為，宇宙磁場可能是由年輕星系中的等離子體漲落產生的。只要你有了微弱的磁場，它就可以通過發電機效應被放大。因此星際介質（恆星間的氣體和塵埃）的轉動和湍動會增強最初的微弱磁場。在一顆恆星或者中央黑洞自轉一周的時間里，這些過程可以讓磁場的強度翻倍。和宇宙的年齡比起來，這些時間跨度是微不足道的，因此新生的磁場可以迅速達到可觀的強度。

但問題是，果真如此的話，遙遠年輕星系的磁場就應該比近鄰年老星系的磁場弱得多才對。然而，天文學發現的大量證據表明，這些早期的星系中也存在著微高斯強度的磁場。於是，要麽那里的發電機效應更強，要麽磁場的種子就形成得更早，就形成於大爆炸之中。

澳大利亞的平方千米天線陣探路者（ASKAP）被用來尋找宇宙線中的電子繞磁力線運動所發出的射電波。圖片來源：csironewsblog.com



時間之初

威德羅和他在美國芝加哥大學的同事邁克爾・特納（Michael Turner）在1988年提出了這一設想。他們認為，原初磁場是在大爆炸後不久形成的，之後經由宇宙超光速膨脹的暴脹階段而放大。今天我們觀測到的大尺度星系結構，便是由那個時期中能量的量子漲落而形成的。威德羅和特納證明，暴脹也可以放大電磁場的漲落，讓整個宇宙也彌漫著磁場。

為了使得這個想法奏效，他們不得不對描述電磁場的麥克斯韋方程組進行改造，引入了一種特殊的粒子，稱之為軸子（axion）。威德羅承認：“這個想法很特別，並且在理論上困擾著粒子物理學家。”他們計算得出的種子磁場，強度為10-50高斯----這意味著必須要有一個強大的“發電機”，才能把磁場強度放大到今天我們觀測到的數值。

不過，威德羅和特納想法依然啟發了其他許多人。“他們的理論首次提出了在暴脹中可以產生磁場的觀點，”德國哥廷根大學的多米尼克・施萊歇（Dominik Schleicher）說，“它標志著我們認識中的一塊基石。”

2013年初，意大利巴里大學的物理學家萊昂納多・坎帕內利（Leonardo Campanelli）在不修改標準物理學的情況下，解釋了這些漲落如何能夠形成原初磁場。他使用了被稱為重整化的數學技巧。粒子物理學家早已使用這一方法來消除會使得方程失效的無窮大。坎帕內利說：“之前沒有人想到用重整化來處理原初磁場問題。”

他得到的原初磁場強度要高得多，達到了10-12高斯，仍然小於星系際空間觀測到的10-6高斯。但是他說，隨著第一代恆星和星系的形成，這一背景磁場足以被放大到今天的數值。

威德羅對坎帕內利的論文留下了深刻的印象。他說：“如果這篇論文中的計算是正確的，那麽大尺度的磁場將會成為暴脹自然且意料之中的產物，無需對物理學規律做特殊的修改。”

其他人則對在暴脹或者其之後不久就產生宇宙尺度的磁場提出了疑問。這是因為，磁場有可能會在被稱為“黑暗時代”的階段中被幾乎完全抹掉。

在最初的378000年間，宇宙的溫度過高，無法形成原子，只有電子、核子和光子。這鍋翻騰的帶電粒子是放大暴脹時期形成的種子磁場的絕佳場所。

隨著宇宙的膨脹，它逐漸冷卻，使得質子可以俘獲電子形成中性的氫原子。隨著它們的結合，這些粒子會向宇宙釋放出一波輻射----這就是宇宙微波背景（CMB）。

之後，宇宙就進入了黑暗時代，因為在這個時期，沒有任何天體會發出光。那時唯一的輻射源就是氫原子，它會輻射出波長為21釐米的射電波。

對於宇宙磁場來說，它面臨的主要問題是帶電粒子數目的陡降。在黑暗時代中，對應於每10000個氫原子，只有1個自由電子或質子。由於磁場依賴於電子或者質子的運動，一些科學家認為，此時種子磁場可能會被抹去。

黑暗時代一直延續到宇宙中有第一批光源出現為止。隨著恆星和星系的形成，它們會釋放出巨量的輻射，將氫原子的電子剝離出去。這一再電離時期會持續大約10億年，也意味著宇宙那時會充斥著有利於磁場的電子和質子。

我們還不確定宇宙磁場是如何應對這些紛亂年代的。然而，在不同的理論輾轉了幾十年之後，也許很快就會有答案了。

通過綜合來自多架望遠鏡對宇宙歷史不同時期的觀測結果，天文學家將能夠追蹤磁場的演化。知曉宇宙早期的磁場強度以及它們的演化，將幫助我們限制磁場起源的模型。

根據英國曼徹斯特大學天文學家理查德・戴維斯（Richard Davis）的說法，研究CMB的普朗克衛星興許在2014年會給出對宇宙磁場的首個分析結果。如果宇宙年齡為378000年時確實有原初磁場存在，那麽它們應該會在CMB中留下印跡。

整合望遠鏡

和“普朗克”的科學家一同作戰的還有低頻陣（LOFAR）的射電天文學家。LOFAR的天線遍及歐洲的5個國家。此外還要再加上位於澳大利亞的兩台儀器設備----澳大利亞的平方千米天線陣探路者（ASKAP）和默奇森大視場天線陣----的天文學家。他們都在尋找射電同步輻射：由宇宙線中的電子繞磁力線運動所發出的射電波。

LOFAR是專門設計來測量長波輻射的，因此它可以探測較弱的磁場（例如星系間的磁場），研究磁場到底能從星系盤延伸出去多遠。它還能探測早期宇宙中星系里的磁場。

作為ASKAP宇宙磁場項目的領導者之一，蓋斯勒對於甄別哪些理論是正確的很有信心。他說，“兩年內我們就會知道答案。”

德國馬普學會射電天文研究所的賴納・貝克（Rainer Beck）說，如果他們在原星系中發現了強磁場的證據，這將會佐證磁場始於年輕星系中的激波波前或者等離子體漲落。然而，如果在星系核附近發現了最初的磁場，那就將支持早期恆星或者早期星系的發電機效應。

隨著一平方千米天線陣（SKA）在澳大利亞和南非開工建造，更強大的觀測能力也即將成形。由數千面射電天線構成的SKA將使得科學家能以10倍於今天的分辨率來研究磁場。SKA將在21世紀20年代初進行首次觀測。它將探測宇宙再電離時期，搜尋出現在宇宙中的第一代天體。它也會用來搜尋宇宙的早期磁場。“SKA會讓我們以前所未有的靈敏度來測量射電波的強度和偏振，”加拿大薩斯喀徹溫大學的天體物理學家伊桑・維許尼亞克（Ethan Vishniac）說。

貝克說，如果SKA發現在第一代天體周圍存在強磁場，原初磁場理論就會得到支持。這將表明，磁場先於星系形成，可能會對星系的演化產生影響。在這一情況下，“普朗克”或者下一代CMB探測衛星將會有助於對其的研究。

一大批望遠鏡正在觀測宇宙中久遠過去的磁場，以便了解磁場的起源，以及它們對宇宙演化的影響。圖片來源：《新科學家》



在10年左右的時間里，所有這些望遠鏡和衛星的觀測結果將會重新繪制我們的宇宙圖景。“針對星系演化的絕大多數氣體動力學數值模擬都忽略了磁場，”美國哈佛大學的天文學家阿維・洛布（Avi Loeb）說，“下一步的前沿是把磁場和宇宙線也包括進來，看一看對星系的影響。”

只有了解了引力和磁場如何操控宇宙，我們才會真正了解宇宙的運轉方式。

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微弱的磁場催產生命

你需要1000萬個銀河系才能把一份購物清單吸到冰箱的門上，我們銀河系的磁場就是這麽微弱。但是它仍能對被稱為宇宙線的帶電粒子的運動產生影響，彎曲它們的軌跡，甚至可以把它們束縛在銀河系中達數百萬年。

美國哈佛大學天文學家阿維・洛布指出，如果沒有磁場，宇宙線在形成後不久就會飛出銀河系。其影響是深遠的。他說：“宇宙線是銀河系重要的成分。它們會電離原行星盤深處的氣體。它們對於地球上生物體的變異也非常重要。總之，它們是生命的要素。”

的確，生命的出現可能是磁場偏轉高能宇宙線的傑作。這些高能粒子似乎會在稠密的氣體雲中開啟形成糖、氨基酸和生命所需其他物質的化學反應。盡管如此，我們仍不確定宇宙線起源自何方，因為磁場改變了它們的運動軌跡。洛布說，通過研究磁場，我們將會找到有關宇宙線起源的線索，並解開這個極其重要的謎題。

laowang1999

此为意大利科学家“布鲁诺”说的《以太》现象吧！！！！