編譯 張景 謝懿

原初磁場(chǎng)一直撲朔迷離。如果把宇宙縮小到一定程度，就會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙的結(jié)構(gòu)像一張網(wǎng)。連接著不同星系團(tuán)的氣體纖維狀結(jié)構(gòu)是編織這張網(wǎng)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(jié)構(gòu)之一，最近在其中有了驚人的發(fā)現(xiàn)。

2021年初，天文學(xué)家在星系團(tuán)之間探測(cè)到了綿延約5 000萬(wàn)光年的磁力線。這是磁場(chǎng)能存在于如此大尺度上的首批證據(jù)之一。但真正令人激動(dòng)的是，這么大范圍的磁場(chǎng)表明，它們可能是源于宇宙大爆炸的遺跡。

找到原初磁場(chǎng)一直是宇宙學(xué)家的夢(mèng)想，因?yàn)樗鼈兛梢越沂救f(wàn)物從何而來的秘密，甚至還能解開現(xiàn)代宇宙學(xué)中最大的難題。然而，確鑿地發(fā)現(xiàn)它們卻是個(gè)問題。在充滿磁場(chǎng)的宇宙深處，如何才能確定所看到的磁場(chǎng)源自宇宙之初？

現(xiàn)有的發(fā)現(xiàn)讓天文學(xué)家越來越相信，即使還沒有真正做到，但已有的理論知識(shí)和觀測(cè)手段最終會(huì)取得突破。

磁場(chǎng)的影響

人們對(duì)磁場(chǎng)并不陌生。散布于宇宙空間中的磁場(chǎng)和冰箱上磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)一樣，都源自電子等帶電粒子的運(yùn)動(dòng)和排列。磁場(chǎng)雖看不見，但影響深遠(yuǎn)，因?yàn)樗梢宰饔糜诜浅＿b遠(yuǎn)的距離。

但奇怪的是，宇宙學(xué)家卻經(jīng)常忽視它的作用。有的天文學(xué)家甚至開玩笑說，即使去參加一個(gè)為期一周的宇宙學(xué)會(huì)議，可能一次也不會(huì)聽到有人提及“磁場(chǎng)”這個(gè)詞。

不同于黑洞或暗能量，磁場(chǎng)并非巨大的未知謎團(tuán)。人類對(duì)磁場(chǎng)了解頗多，包括它是什么，它能做什么以及怎么產(chǎn)生它。地球的磁場(chǎng)保護(hù)我們免受太陽(yáng)輻射的傷害。太陽(yáng)磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射。磁陀星則是宇宙中擁有最強(qiáng)磁場(chǎng)的天體。利用合適的設(shè)備，能看到磁力線會(huì)像指紋一樣從天體物向外擴(kuò)散。

最初時(shí)刻？

目前還不清楚磁場(chǎng)究竟有多古老，以及它們?cè)诙啻蟪潭壬嫌绊懥擞钪娴难莼?，尤其是在宇宙成形之際。雖然天文學(xué)家對(duì)于從宇宙大爆炸后的瞬間一直到恒星和星系形成之時(shí)已經(jīng)有了十分詳細(xì)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(chǎng)在其中所發(fā)揮的作用。

關(guān)于磁場(chǎng)最令人關(guān)切的問題是，它們?cè)谠缙谟钪婢鸵汛嬖?，還是后來才形成的。根據(jù)形成的時(shí)間和方式，原初磁場(chǎng)可能參與了暴脹。暴脹是宇宙所經(jīng)歷的瞬間指數(shù)式膨脹過程，為極早期宇宙演化成今天的樣子奠定了基礎(chǔ)。

原初磁場(chǎng)很可能保留有暴脹的印記，由此可以檢驗(yàn)相關(guān)的理論猜想。原初磁場(chǎng)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(chǎng)（如果需要，則意味著原初磁場(chǎng)必須先于第一代恒星存在），除非了解磁場(chǎng)的作用，否則將無法完全認(rèn)識(shí)這個(gè)過程。

原初磁場(chǎng)甚至還能解決當(dāng)下宇宙學(xué)面臨的重大危機(jī)。作為目前對(duì)宇宙的最佳認(rèn)識(shí)，宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的宇宙當(dāng)前膨脹速度要小于日益完善的實(shí)際測(cè)量結(jié)果，這一不一致被稱為哈勃矛盾。有一些宇宙學(xué)家正致力于解決哈勃矛盾，或者至少弄清楚它對(duì)于宇宙學(xué)意味著什么。2020年提出了一個(gè)新的假說，原初磁場(chǎng)興許可以破解哈勃矛盾。

在現(xiàn)有的宇宙演化理論中并沒有考慮磁場(chǎng)的作用。然而，如果在標(biāo)準(zhǔn)模型下的宇宙演化中加入磁場(chǎng)，由此給出的當(dāng)前宇宙膨脹速率就會(huì)遠(yuǎn)比由標(biāo)準(zhǔn)模型外推的更加接近實(shí)際觀測(cè)值。

這是一個(gè)令人興奮的進(jìn)展，因?yàn)樵醮艌?chǎng)的最大優(yōu)勢(shì)在于它不需要在宇宙學(xué)添加任何新的成分或特性。磁場(chǎng)一定會(huì)在某種程度上發(fā)揮作用，但對(duì)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(guān)鍵就在于，眼下并不清楚原初磁場(chǎng)是否真的存在。如果存在，它們預(yù)期會(huì)極其微弱，就像來自一個(gè)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(xiàn)象，它們甚至可以滲透到宇宙的每一個(gè)角落。一種有趣的可能性是，即便是現(xiàn)有天體中的磁場(chǎng)也都是由業(yè)已存在的種子磁場(chǎng)經(jīng)放大而產(chǎn)生的。

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

如果在巨洞中發(fā)現(xiàn)了磁場(chǎng)，用天體物理過程無法解釋它的存在。由于巨洞中的物質(zhì)極少，對(duì)微弱磁場(chǎng)的唯一解釋就是它們自一開始就已存在。因此，在宇宙網(wǎng)巨洞中發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)將是原初磁場(chǎng)存在的確鑿證據(jù)。

2019年，天文學(xué)家在宇宙纖維狀結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了磁場(chǎng)，其磁力線連接了相隔1 000萬(wàn)光年的兩個(gè)星系團(tuán)。最近，通過探測(cè)帶電粒子在磁場(chǎng)中做螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)所發(fā)出的射電波，在極其遙遠(yuǎn)的距離上發(fā)現(xiàn)存在微弱的磁場(chǎng)。

雖然磁場(chǎng)散布于很大的區(qū)域中，但發(fā)出的輻射也相當(dāng)微弱。要在大范圍內(nèi)搜尋微弱輻射，使得探測(cè)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(hào)更強(qiáng)。

想在巨洞中尋找任何東西都非常困難，因?yàn)槟抢飵缀鯖]有任何能與磁場(chǎng)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(xiàn)象，巨洞也會(huì)吐露它們的秘密。

耀變體就是一個(gè)例子。它們是由超大質(zhì)量黑洞驅(qū)動(dòng)的星系，這些黑洞會(huì)噴射出由接近光速運(yùn)動(dòng)的電離物質(zhì)所組成的噴流。耀變體是天空中最明亮且最強(qiáng)勁的天體之一。早在2010年就發(fā)現(xiàn)，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(jīng)了星系外部的磁場(chǎng)。

扭曲的波

然而，驅(qū)動(dòng)探測(cè)原初磁場(chǎng)的真正新動(dòng)力則源于觀測(cè)到了幾十個(gè)快速射電暴。后者是來自遙遠(yuǎn)星系的短暫射電脈沖，強(qiáng)度相當(dāng)于數(shù)個(gè)太陽(yáng)。對(duì)于這一新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象是如何產(chǎn)生的目前還未達(dá)成共識(shí)。但是在過去的幾年中，探測(cè)到的快速射電暴數(shù)量開始變得越來越多。在此過程中有一點(diǎn)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(chǎng)最常用的方法就是測(cè)量經(jīng)過它們的輻射偏振。具有偏振的輻射只會(huì)在一個(gè)平面上振動(dòng)，這些輻射可以源自恒星、星系或者是快速射電暴。當(dāng)快速射電暴經(jīng)過磁場(chǎng)時(shí)，其偏振輻射會(huì)被扭曲，從而在空間中呈螺旋形傳播，被稱為法拉第旋轉(zhuǎn)。通過測(cè)量這一變化的程度，就可以推斷輻射是否穿過了磁場(chǎng)及其強(qiáng)度。

雖然目前磁場(chǎng)探測(cè)的靈敏度已經(jīng)比過去提高了100倍，但現(xiàn)有最好的射電望遠(yuǎn)鏡也只能勉強(qiáng)探測(cè)到原初磁場(chǎng)發(fā)出的微弱信號(hào)。但是，相比于其他信號(hào)，快速射電暴的優(yōu)點(diǎn)就在于它們還有一個(gè)可供測(cè)量的效應(yīng)，那就是色散。

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

然而，即使原初磁場(chǎng)普遍存在，其極弱的強(qiáng)度也意味著需要使用統(tǒng)計(jì)方法才能發(fā)現(xiàn)它們。這就要求海量的數(shù)據(jù)。

例如，就在宇宙纖維狀結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)而言，就疊加了成百上千幅星系的圖像。這一圖像疊加技術(shù)可以將噪聲中的信號(hào)放大，從而發(fā)現(xiàn)微弱的射電信號(hào)。由于數(shù)據(jù)中的噪聲實(shí)在太大，必須要用盡各種的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法來審視數(shù)據(jù)。如果在所有的檢驗(yàn)之下信號(hào)依然存在，那就意味著有了新的發(fā)現(xiàn)。

襲來的數(shù)據(jù)洪流

同樣地，為了使用快速射電暴來確鑿地發(fā)現(xiàn)原初磁場(chǎng)，也需要大量的數(shù)據(jù)。這需要至少1 000個(gè)能夠探測(cè)到法拉第旋轉(zhuǎn)的快速射電暴。幸運(yùn)的是，新一代的射電望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)開始迎接挑戰(zhàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)，加拿大氫強(qiáng)度映射實(shí)驗(yàn)?zāi)芴綔y(cè)到大量的快速射電暴。未來，可能會(huì)探測(cè)到數(shù)千、數(shù)萬(wàn)甚至數(shù)十萬(wàn)個(gè)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(yuǎn)鏡也能探測(cè)到數(shù)千個(gè)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(yuǎn)鏡。它甚至有望進(jìn)行近1 000萬(wàn)次觀測(cè)，探測(cè)更為古老和遙遠(yuǎn)的宇宙深處。它最終將描繪出天空法拉第旋轉(zhuǎn)的三維分布，這將類似于一張宇宙中的磁場(chǎng)圖。

但這并不是慶祝的時(shí)刻。對(duì)于原初磁場(chǎng)的探測(cè)其答案來自穩(wěn)定的數(shù)據(jù)積累，而不是發(fā)現(xiàn)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(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型并沒有囊括磁場(chǎng)。因此，如果真在宇宙極早期發(fā)現(xiàn)了磁場(chǎng)，那么這將是新物理學(xué)的標(biāo)志，說明需要把它納入宇宙學(xué)模型中。

雖然仍要弄清楚磁場(chǎng)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(guān)鍵的角色。

在未來的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，這都仍將是一個(gè)巨大的謎團(tuán)。但迷霧正在散去，磁場(chǎng)會(huì)變得日益清晰。

資料來源 New Scientist