科學好故事 | 遍佈宇宙的無形磁場
2020年07月15日11:37

  作者:Natalie Wolchover

  來源:Quanta Magazine

  翻譯:任天

  

天文學家發現,磁場遍佈宇宙的大部分區域,如果這些磁場可以追溯到大爆炸時期,一個重要的宇宙學謎題可能就會因此迎刃而解。

  這些磁場的存在似乎有些莫名其妙——來自與冰箱磁貼同樣的實體——圍繞著地球、太陽和所有星系。20年前,天文學家開始在星系團中探測到磁場,包括星系之間的空間。無數隱形的磁力線就像指紋一般,穿梭於星系空間。

  2019年,天文學家終於成功對星系團之間的廣闊空間進行了探測。這是一個更加稀疏的空間區域,在那裡,他們發現了迄今為止最大的磁場:長度達1000萬光年的磁化空間,橫跨宇宙網的一整條“纖維”!

  利用同樣的技術,天文學家在宇宙的其他地方發現了第二條磁化“纖維”,但這可能只是目前人類能看到的“冰山一角”。

  問題是:這些巨大的磁場從何而來?

  天體物理學家對宇宙磁場進行了最先進的計算機模擬,很明顯,這與單個星系的活動、單次爆炸,或者超新星風沒有關係,並且遠遠不止於此。

  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,弱磁性應該無處不在,甚至存在於宇宙網的“空洞”(void)中。在天文學中,空洞是指纖維狀結構之間的空間,堪稱宇宙中最黑暗、最空曠的區域,無所不在的磁力會在星系和星系團中孕育出更強的磁場。

  原始磁力也可能有助於解決另一個宇宙學難題:哈勃衝突(Hubble tension)。這可能是宇宙學中最熱門的話題之一。

  哈勃衝突問題的核心是,根據已知的成分,宇宙膨脹的速度似乎明顯快於預期。今年4月,宇宙學家卡爾斯頓·讓達齊克(Karsten Jedamzik)和列翁·波戈相(Levon Pogosian)在線發表了一篇論文,目前正在接受評審。他們在論文中指出,早期宇宙的弱磁場可能導致了今天所見到的宇宙膨脹速度比理論值更快。

  原始磁場對哈勃衝突的解釋簡潔明了,以致於讓達齊克和波戈相的論文迅速引起了人們的注意。這是一篇優秀的論文,想法很不。

  該觀點還需要更多的檢驗,以確保早期的磁場不會影響其他宇宙學運算,即使這個想法在紙面上可行,研究人員也需要找到原始磁場的確鑿證據,以確定這就是塑造宇宙的缺失因素。

  儘管如此,在這麼多年來對哈勃衝突的討論中,幾乎沒有人考慮過磁場因素,這似乎有些奇怪。大多數宇宙學家幾乎不會考慮磁場。“每個人都知道這是一個很大的難題”,幾十年來,宇宙學家都無法判斷磁場是否真的普遍存在,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關注這方面。

  與此同時,天體物理學家一直在收集數據。這些證據的份量使他們中的大多數人猜測,磁場確實無處不在。

  宇宙的“磁性之魂”

  人類利用自然磁化的岩石製作指南針的歷史已有數千年。1600年,英國科學家威廉·吉爾伯特(William Gilbert)通過對磁石的研究,認為磁石的磁力“彷如靈魂”。他正確地推測地球本身是一塊“巨大的磁鐵”,而天然磁石會“朝向地球的兩極”。

  只要有電荷流動,就會產生磁場。例如,地球的磁場來自於其內部的“發電機”,即在地核中熔融鐵對流運動所產生的電流。冰箱磁貼和磁石的磁場來自圍繞其組成原子旋轉的電子。

宇宙學模擬對磁場如何滲透到星系團中給出了兩種可能的解釋。左邊是大爆炸後瞬間瀰散在宇宙中的統一“種子”田。在右邊,天體形成過程(例如恒星形成和物質流入超大質量黑洞)會產生磁化風,這些風會從星系中溢出。
宇宙學模擬對磁場如何滲透到星系團中給出了兩種可能的解釋。左邊是大爆炸後瞬間瀰散在宇宙中的統一“種子”田。在右邊,天體形成過程(例如恒星形成和物質流入超大質量黑洞)會產生磁化風,這些風會從星系中溢出。

  然而,一旦運動中的帶電粒子產生了“種子”磁場,後者就可以與較弱的磁場結合,變得更大、更強。磁場“有點像生命體”,因為磁場會接入所有可以抓住的自由能量源,並繼續成長,它們可以傳播並影響其他區域,也會在那裡成長。

  磁力是除引力之外唯一能塑造宇宙大尺度結構的力,因為只有磁力和引力才能跨越遙遠的距離“觸及你”。相比之下,電場是局部、短暫的,因為任何地方的正電荷和負電荷都會在整體上抵消。但是你無法消除磁場;它們往往會累積並保留下來。

  然而,儘管有著如此大的能量,這些磁場依然保持著“低姿態”。它們是無形的,只有對其他事物起作用時才能覺察到。荷蘭萊頓大學的天文學家雷努特·範維倫(Reinout van Weeren)參與了最近對磁化纖維結構的探測,他說:“你不可能拍一張磁場的照片;它的原理不是這樣的。”

  在去年發表的一篇論文中,雷努特·範維倫和28位合著者推斷出在星系團Abell 399和Abell 401之間的纖維中存在磁場,因為他們探測到穿過其中的高速電子和其他帶電粒子會改變方向。當這些帶電粒子的路徑在磁場中扭曲時,它們會釋放微弱的“磁阻尼輻射”(synchrotron radiation)。

  磁阻尼輻射信號在低頻無線電波下最強,這為國際低頻陣列射電望遠鏡(LOFAR)的探測提供了條件。LOFAR是一個分佈在歐洲各地的射電望遠鏡網絡,由2萬個低頻無線電天線組成。

LOFAR由遍佈歐洲的20,000個單獨的無線電天線組成。
LOFAR由遍佈歐洲的20,000個單獨的無線電天線組成。

  2014年,LOFAR團隊僅用了8個小時就從纖維結構上收集了數據,但射電天文學界花費了數年時間來研究如何校準LOFAR的測量值,使這些數據一直靜靜等待著。地球的大氣層會折射到達地面的無線電波,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”(位置精確的無線電發射器)的擺動,並通過校正這種擺動使所有數據變得清晰,從而解決這個問題。當他們將去模糊算法應用到纖維的數據時,他們立刻看到了磁阻尼輻射釋放的信號。

  這個纖維結構看起來已經被完全磁化,而不僅僅出現於從兩端對向移動的星系團附近。研究人員目前正在分析一個50小時的數據集,他們希望從中揭示更多的細節。最近更多的觀測發現,磁場已經延伸到第二個纖維結構。研究人員計劃於近期發表這項研究成果。

  至少存在於這兩個纖維中的巨大磁場提供了重要的新信息。“這激起了相當多的活動,”雷努特·範維倫說,“因為現在我們知道,這些磁場是相對較強的。”

  一束穿過空洞的光

  如果這些磁場是在宇宙初期產生的,那麼問題就變成:它們是如何產生的?人們對這個問題已經思考了很長時間。

  1991年的理論提出,這些磁場可能是在電弱相轉變期間出現的。電弱相變發生在大爆炸後的極短瞬間,電磁力和弱核力分離,不再合併成單一的電弱相互作用。另一些人則認為,磁場在質子形成後幾微秒後才具體化。或者在那之後不久:已故的天體物理學家泰德·哈里森(Ted Harrison)在1973年提出了最早的原始磁生成理論,認為質子和電子的湍流等離子體可能導致了第一個磁場的形成。還有一些人提出,在這一切發生之前,即在宇宙暴脹過程中,空間就被磁化了。宇宙暴脹是空間的爆發性膨脹,據稱是宇宙大爆炸的開始。還有一種可能是,磁場直到大爆炸10億年後,宇宙結構形成時才產生。

  檢驗磁生成理論的方法是研究最原始的星系間空間的磁場模式,比如纖維中安靜的部分和更空曠的空洞。某些細節,比如磁場線是平滑的、螺旋狀的還是“像紗線球一樣到處彎曲”(按瓦查斯帕蒂所說),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果進行比較。例如,如果磁場在電弱相變期間出現,那麼由此產生的磁場線應該是螺旋的,“就像開瓶器一樣”。

  問題是,我們很難探測到沒有推動任何東西的力場。早在1845年,英國科學家邁克爾·法拉第(Michael Faraday)就創立了一種探測磁場的方法,原理是線性偏振的光線在穿過磁場時會發生旋轉。“法拉第旋轉”(又稱“法拉第效應”)的量取決於磁場的強度和光的頻率。因此,通過測量不同頻率的偏振,我們就可以推斷出沿光波傳播方向的磁性強度。如果在不同的地方這樣做,你就可以製作出(磁場的)三維地圖。

  

塞繆爾·維拉斯科/ Quanta雜誌
塞繆爾·維拉斯科/ Quanta雜誌

研究人員已經開始使用LOFAR對“法拉第旋轉”進行粗略的測量,但望遠鏡很難分辨出極其微弱的信號。天文學家瓦倫蒂娜·維卡幾年前設計了一種算法,通過將許多空曠區域的測量數據疊加在一起,從統計學上梳理出細微的法拉第旋轉信號。“原理上,這種方法可以應用於空洞,”維卡說道。

  當下一代射電望遠鏡於2027年投入使用的時候,通過法拉第旋轉探測磁場的技術將真正起飛。這是一個龐大的國際項目,稱為“平方千米陣”(Square Kilometer Array,簡稱SKA)。平方千米陣將形成一個很棒的法拉第旋轉信號探測網。該陣列將由上千台射電望遠鏡組成,預計將探測到宇宙大爆炸之後第一代恒星和星系形成時發出的電磁波,揭示磁場在恒星和星系演化過程中的作用,並探測暗能量產生的種種效應。

  目前,空洞中存在磁性的唯一證據是,天文學家在觀察位於空洞後方的耀變體時,沒有觀察到朝向地球的噴流。

  耀變體是宇宙中最高能的現象之一,由來自於超大質量黑洞的伽馬射線和其他高能的光線及物質組成。當伽瑪射線在太空中傳播時,它們有時會與遠古的微波發生碰撞,變成電子和正電子。然後這些粒子熄滅,變成低能量的伽馬射線。

  但是在2010年,瑞士日內瓦天文台的安德里·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一個磁化的空洞,低能量的伽馬射線似乎就會消失。磁場會使電子和正電子偏轉到視線之外。因此,當它們衰變為低能伽馬射線時,這些伽馬射線就不會朝向地球。

  

事實上,當尼羅諾夫和沃夫克對另一個適當位置的耀變體的數據進行分析時,他們看到了高能伽馬射線,而不是低能伽馬射線信號。瓦查斯帕蒂說:“信號的缺失才是真正的信號。”

  “無信號”很難成為確鑿的證據,已經有研究者提出了關於伽馬射線消失的另一種解釋。然而,後續的觀察越來越指向尼羅諾夫和沃夫克的假說,即空洞被磁化了。這是多數人的看法,最具有說服力的是,在2015年,一個團隊將許多對耀變體的測量數據疊加在空洞後面,成功地梳理出耀變體周圍低能伽馬射線的微弱光暈。這種效果與預期的完全一致,即粒子在微弱的磁場——測量結果僅為冰箱磁貼強度的萬億分之一的百萬分之一——影響下變得分散。

  宇宙最大的謎團

  引人注目的是,這種原始磁場的精確強度可能正是解決“哈勃衝突”所需要的。研究人員在一個充滿等離子體的模擬年輕宇宙中加入弱磁場,發現等離子體中的質子和電子沿著磁場線飛行,並在磁場強度最弱的區域積累。這種聚集效應使帶電的質子和電子結合成電中性的氫原子。這種結合被稱為“復合”(recombination),是宇宙誕生早期的一種相變。

  這個發現可以解決“哈勃衝突”。宇宙學家通過觀察復合過程中發出的古老輻射,計算出今天空間膨脹的速度。這束古老的光顯示了一個年輕的宇宙,其中佈滿了由聲波在原始等離子體中振盪而形成的團塊。如果由於磁場的聚集效應,復合的時間比原先預想的更早,那麼聲波就不能提前傳播那麼遠,產生的團塊也會更小。這意味著我們在天空中觀察到的那些復合時期遺留的成團特徵,其傳播距離肯定比研究人員預想的更短。來自這些團塊的光在被我們觀察到時,所經過的距離也更短,意味著這些光一定穿越了膨脹更快的空間。“這就如同在一個不斷擴張的表面上奔跑;你走過的距離會變短”。

  結果就是,團塊越小,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際上正在飛離的速度。

  這可能會向我們揭示(磁場的)實際存在。計算結果表明,解決哈勃衝突所需的原始磁場強度的確與耀變體的觀測結果,以及形成橫跨星系團和纖維的巨大磁場所需的初始磁場的估計值一致。

  “如果結論證明是正確的話,一切都可以串聯起來”。

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