探尋宇宙原初磁場

編譯 張景 謝懿

原初磁場一直撲朔迷離。如果把宇宙縮小到一定程度，就會發現宇宙的結構像一張網。連接著不同星系團的氣體纖維狀結構是編織這張網的線繩，其余的地方則是巨大的空洞。這是宇宙中最神秘的結構之一，最近在其中有了驚人的發現。

2021年初，天文學家在星系團之間探測到了綿延約5 000萬光年的磁力線。這是磁場能存在于如此大尺度上的首批證據之一。但真正令人激動的是，這么大范圍的磁場表明，它們可能是源于宇宙大爆炸的遺跡。

找到原初磁場一直是宇宙學家的夢想，因為它們可以揭示萬物從何而來的秘密，甚至還能解開現代宇宙學中最大的難題。然而，確鑿地發現它們卻是個問題。在充滿磁場的宇宙深處，如何才能確定所看到的磁場源自宇宙之初？

現有的發現讓天文學家越來越相信，即使還沒有真正做到，但已有的理論知識和觀測手段最終會取得突破。

磁場的影響

人們對磁場并不陌生。散布于宇宙空間中的磁場和冰箱上磁鐵產生的磁場一樣，都源自電子等帶電粒子的運動和排列。磁場雖看不見，但影響深遠，因為它可以作用于非常遙遠的距離。

但奇怪的是，宇宙學家卻經常忽視它的作用。有的天文學家甚至開玩笑說，即使去參加一個為期一周的宇宙學會議，可能一次也不會聽到有人提及“磁場”這個詞。

不同于黑洞或暗能量，磁場并非巨大的未知謎團。人類對磁場了解頗多，包括它是什么，它能做什么以及怎么產生它。地球的磁場保護我們免受太陽輻射的傷害。太陽磁場會導致太陽耀斑和日冕物質拋射。磁陀星則是宇宙中擁有最強磁場的天體。利用合適的設備，能看到磁力線會像指紋一樣從天體物向外擴散。

最初時刻？

目前還不清楚磁場究竟有多古老，以及它們在多大程度上影響了宇宙的演化，尤其是在宇宙成形之際。雖然天文學家對于從宇宙大爆炸后的瞬間一直到恒星和星系形成之時已經有了十分詳細的了解，但這其中仍有一些未解的問題，其中最大的問題之一就是磁場在其中所發揮的作用。

關于磁場最令人關切的問題是，它們在早期宇宙就已存在，還是后來才形成的。根據形成的時間和方式，原初磁場可能參與了暴脹。暴脹是宇宙所經歷的瞬間指數式膨脹過程，為極早期宇宙演化成今天的樣子奠定了基礎。

原初磁場很可能保留有暴脹的印記，由此可以檢驗相關的理論猜想。原初磁場或許還能提供第一代恒星形成的線索。無論第一代恒星的形成是否需要磁場（如果需要，則意味著原初磁場必須先于第一代恒星存在），除非了解磁場的作用，否則將無法完全認識這個過程。

原初磁場甚至還能解決當下宇宙學面臨的重大危機。作為目前對宇宙的最佳認識，宇宙學標準模型所預言的宇宙當前膨脹速度要小于日益完善的實際測量結果，這一不一致被稱為哈勃矛盾。有一些宇宙學家正致力于解決哈勃矛盾，或者至少弄清楚它對于宇宙學意味著什么。2020年提出了一個新的假說，原初磁場興許可以破解哈勃矛盾。

在現有的宇宙演化理論中并沒有考慮磁場的作用。然而，如果在標準模型下的宇宙演化中加入磁場，由此給出的當前宇宙膨脹速率就會遠比由標準模型外推的更加接近實際觀測值。

這是一個令人興奮的進展，因為原初磁場的最大優勢在于它不需要在宇宙學添加任何新的成分或特性。磁場一定會在某種程度上發揮作用，但對于它在何種程度以及能以什么方式解決哈勃矛盾還所知甚少。

這里的關鍵就在于，眼下并不清楚原初磁場是否真的存在。如果存在，它們預期會極其微弱，就像來自一個迥異宇宙的幽靈般遺跡，綿延在極為廣袤的距離上。借由宇宙之初某些未知的現象，它們甚至可以滲透到宇宙的每一個角落。一種有趣的可能性是，即便是現有天體中的磁場也都是由業已存在的種子磁場經放大而產生的。

在這種情況下，由黑洞或其他天體物理過程產生的磁場就會取代更古老的磁場，隱匿后者的蹤跡。證明存在原初磁場的最有力方法就是在宇宙巨洞中找到磁場的痕跡。巨洞是宇宙中物質密度最低的地方，位于連接著宇宙網的纖維狀結構之間。

如果在巨洞中發現了磁場，用天體物理過程無法解釋它的存在。由于巨洞中的物質極少，對微弱磁場的唯一解釋就是它們自一開始就已存在。因此，在宇宙網巨洞中發現磁場將是原初磁場存在的確鑿證據。

2019年，天文學家在宇宙纖維狀結構中發現了磁場，其磁力線連接了相隔1 000萬光年的兩個星系團。最近，通過探測帶電粒子在磁場中做螺旋運動時所發出的射電波，在極其遙遠的距離上發現存在微弱的磁場。

雖然磁場散布于很大的區域中，但發出的輻射也相當微弱。要在大范圍內搜尋微弱輻射，使得探測難上加難。此外，還要排除其他的干擾因素，例如銀河系、河外星系和儀器噪音，它們都比要找的信號更強。

想在巨洞中尋找任何東西都非常困難，因為那里幾乎沒有任何能與磁場相互作用的粒子，從而難以揭示后者的存在。但是，得益于一些特殊的現象，巨洞也會吐露它們的秘密。

耀變體就是一個例子。它們是由超大質量黑洞驅動的星系，這些黑洞會噴射出由接近光速運動的電離物質所組成的噴流。耀變體是天空中最明亮且最強勁的天體之一。早在2010年就發現，如果耀變體不具有明顯的低能γ射線暈，那么其噴流很有可能就途經了星系外部的磁場。

扭曲的波

然而，驅動探測原初磁場的真正新動力則源于觀測到了幾十個快速射電暴。后者是來自遙遠星系的短暫射電脈沖，強度相當于數個太陽。對于這一新發現的現象是如何產生的目前還未達成共識。但是在過去的幾年中，探測到的快速射電暴數量開始變得越來越多。在此過程中有一點變得日漸清晰，它們攜帶了所穿過宇宙空間的信息。

研究宇宙磁場最常用的方法就是測量經過它們的輻射偏振。具有偏振的輻射只會在一個平面上振動，這些輻射可以源自恒星、星系或者是快速射電暴。當快速射電暴經過磁場時，其偏振輻射會被扭曲，從而在空間中呈螺旋形傳播，被稱為法拉第旋轉。通過測量這一變化的程度，就可以推斷輻射是否穿過了磁場及其強度。

雖然目前磁場探測的靈敏度已經比過去提高了100倍，但現有最好的射電望遠鏡也只能勉強探測到原初磁場發出的微弱信號。但是，相比于其他信號，快速射電暴的優點就在于它們還有一個可供測量的效應，那就是色散。

當快速射電暴發出的輻射在宇宙中傳播時，由于電子和其他粒子的散射，輻射頻率會降低，波形會變寬。通過測量色散，就能了解輻射所穿過區域的物質密度。因此，如果有一個快速射電暴穿過一個物質密度極低且磁場很弱的區域，那么這就意味著其信號可能穿過了一個巨洞，由此也暗示那里存在原初磁場?？焖偕潆姳┦鞘┯眠@一方法的最佳工具。

然而，即使原初磁場普遍存在，其極弱的強度也意味著需要使用統計方法才能發現它們。這就要求海量的數據。

例如，就在宇宙纖維狀結構中發現磁場而言，就疊加了成百上千幅星系的圖像。這一圖像疊加技術可以將噪聲中的信號放大，從而發現微弱的射電信號。由于數據中的噪聲實在太大，必須要用盡各種的統計檢驗方法來審視數據。如果在所有的檢驗之下信號依然存在，那就意味著有了新的發現。

襲來的數據洪流

同樣地，為了使用快速射電暴來確鑿地發現原初磁場，也需要大量的數據。這需要至少1 000個能夠探測到法拉第旋轉的快速射電暴。幸運的是，新一代的射電望遠鏡已經開始迎接挑戰。根據設計，加拿大氫強度映射實驗能探測到大量的快速射電暴。未來，可能會探測到數千、數萬甚至數十萬個快速射電暴。

作為分別位于澳大利亞和南非的平方千米陣的前身，澳大利亞平方千米陣探路者望遠鏡也能探測到數千個快速射電暴。在完全建成之后，平方千米陣將成為世界上最大的射電望遠鏡。它甚至有望進行近1 000萬次觀測，探測更為古老和遙遠的宇宙深處。它最終將描繪出天空法拉第旋轉的三維分布，這將類似于一張宇宙中的磁場圖。

但這并不是慶祝的時刻。對于原初磁場的探測其答案來自穩定的數據積累，而不是發現某樣特定的東西。但是，無論以何種方式找到答案，都具有重大意義。

目前的宇宙學標準模型并沒有囊括磁場。因此，如果真在宇宙極早期發現了磁場，那么這將是新物理學的標志，說明需要把它納入宇宙學模型中。

雖然仍要弄清楚磁場一開始是如何形成的，但由此卻可以想見，它們興許在恒星和星系的形成中扮演了關鍵的角色。

在未來的很長一段時間里，這都仍將是一個巨大的謎團。但迷霧正在散去，磁場會變得日益清晰。

資料來源 New Scientist