宇宙磁場的起源從何而來？宇宙最初的磁場和腦電波一樣弱？

每當我們仰望星空,總會第一時間想到引力, 它讓我們穩穩地立足於地球, 也主宰着星雲的探索,誕生恆星與行星。 引力塑造了我們的星系, 甚至讓無數星系匯聚成龐大的星系團。 但是你知不知道,在這場宇宙的宏大博弈中, 引力並不是唯一的主角, 還有另一股力量幾乎無處不在, 卻常常被我們忽視,那就是磁力。 它如同宇宙的隱形視線, 牽引,影響着星層與星系的演化。 今天,就讓我們一起揭開宇宙磁場的祕密。 在接近真空的宇宙裏, 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發現。 當然,這些磁場極其微弱, 冰箱貼上的磁場與銀河系內外瀰漫着的磁場相比, 強度要高出一百多萬倍。 這也許正是宇宙學中磁場往往被忽略的原因。 畢竟,這麼微不足道的東西怎麼會影響整個星系呢? 雖然時代和觀點正在發生改變, 沒錯,引力把天體維繫在一起, 但宇宙學中最關鍵的物理過程, 從恆星形成到黑洞射出高冷噴流, 都需要磁場的參與。 結果是,只要加入了星際磁場的作用, 之前的天文學中許多的未解之謎, 一下子就豁然開朗了。 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, 是因爲它們也許是大發炸後不久發生後的某些物理過程的遺存。 另外,宇宙中大多數可見的物質都是由帶電的粒子組成, 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有着重要的作用。 1835年,德國物理學家卡爾·弗裏德蒂西·高斯, 他藉助一根磁鐵,手之測量了地球的磁場。 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做切割磁力線運動的時候, 就會產生電流,這些電流又會產生磁場, 來補充已經存在的磁場。 得益於這一發電機的作用, 微熱的種子磁場可以增長成更強的磁場, 然後地球的磁場又保護了臭氧層免受高冷粒子的破壞, 讓我們的地球不會暴露在有害的紫外線之下。 太陽的磁場也保護着我們, 偏轉了來自太陽系之外的有害粒子。 在更大的尺度上,磁場甚至還有助於生命的起源。 但是在很久以前,人們並沒有意識到星際空間中也會有磁場。 第一個證據出現在1949年, 當時美國的天文學家約翰·霍爾和威廉·希爾特納發現, 有東西使星光在飛向我們的過程中發生了偏振。 結果顯示,這種東西其實就是宇宙的磁場, 它們會使得星際成的顆粒像微小的挪彈指針一樣排列整齊。 自從那個時候開始,一系列的技術就被研發了出來, 用來測量銀河系和周邊停靜星系中的磁場。 2011年,德國馬普學廢天文物理研究所尼爾斯·奧伯曼和他的同事們 繪製了幾季爲止最好的銀河系磁場分佈圖, 揭示了磁場線沿着銀河系懸壁的結構分佈, 還確定了銀河系的總磁場強度只有幾個威高斯, 僅爲地球表面磁場的十萬分之一。 天文學家相信,在類似銀河系的漩渦星系中, 磁場會通過一個發電機而被放大和維持。 隨着星系的自轉,帶電的粒子會切割已經存在的磁場, 使得微弱的磁場繼續增強。 體論認爲,星系誕生的時候有微弱的磁場, 但是這些作爲發電機種子的微弱磁場, 它們又是從哪裏來的呢? 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達到足夠的靈敏度 來檢測任何一個理論。 於是,有關的模型層出不窮。 一種體論認爲,最初的磁場是由極早期的恆星產生的, 然後通過星峯或者超新星爆發擴散到宇宙中。 另一種體論認爲,大約在大爆炸後一億年, 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, 之後它的強勁的噴流送入了星際的空間。 還有一種新的觀點認爲, 宇宙磁場可能是由年輕的星系中等體質漲落產生的, 只要你有了初始的微弱磁場, 它就可以通過發電極效應被放大。 因此,星系介質的轉動和傳流會增加最初的微弱磁場, 在一個恆星或者中央黑洞自轉的一週時間裏, 這些過程可以讓磁場的強度翻倍。 和宇宙的年齡相比, 這些時間跨度微不足道, 因此新生的磁場可以迅速地達到可觀的強度。 但問題是,如果真的是這樣的話, 遙遠的年輕星系, 它的磁場就應該比平靜的老星系的磁場弱得多才對。 然而,天文學家發現大量的證據表明, 這些早期的星系中也存在着微高斯強度的磁場。 於是,要麼那裏的發電機效應更強, 要麼磁場的種子就形成了更早,或許形成於大爆炸之中。 科學家認爲,遠處磁場是在大爆炸之後形成的, 之後經過宇宙超光束膨脹的暴撞階段而放大, 今天我們觀測到的大尺度星系結構, 便是那個時期能量的量子漲落而形成, 暴撞也可以放大磁場的漲落,讓整個宇宙瀰漫着磁場。 2021年初,天文學家在新西蘭之間探測到了5000萬光年的磁力線, 這是磁場存在的證據之一。 但令人激動的是,這麼大範圍的磁場表明, 它們可能源自於宇宙大爆炸的遺蹟。 找到遠處磁場一直是科學家的夢想, 因爲它們可以揭示萬物從何而來的祕密, 甚至還能揭開現代宇宙學中最大的難題。 然而,確鑿的證據卻是個問題, 在充滿磁場的宇宙深處, 如何才能確定看到的磁場源自於宇宙之初呢? 現有的發現讓天文學家越來越相信, 即使還沒有真正做到, 但已有的理論和觀測手段最終都會取得突破。 雖然目前還不清楚磁場究竟有多古老, 以及它們多大程度上影響了宇宙的演化, 尤其是宇宙在形成之際。 雖然天文學家對宇宙大爆炸的瞬間, 一直到恆星和星系的形成之時都已經十分了解, 但這其中仍然有一些未解的問題, 其中最大的問題就是磁場在其中發揮的作用。 關於磁場,最令人關切的問題是, 它們在早期宇宙就已存在,還是後來形成的。 根據形成時間和方式, 原初磁場可能參與了爆炸。 爆炸是宇宙所經歷的瞬間指數級膨脹的過程, 爲極早期宇宙演發成今天的樣子。 原初磁場很有可能保留了爆炸的記憶, 由此可以檢驗相關的理論猜測。 原初磁場或許還能提供第一代恆星形成的線索。 無論第一代恆星的形成是否需要磁場, 除非瞭解磁場的作用,否則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。 宇宙學標準模型所預言的宇宙, 當前膨脹速度要小於日益完善的實際測量結果, 這亦不一致被稱爲哈勃矛盾。 有一些天文學家正在解決這個問題, 或許至少弄清楚它對宇宙學意味着什麼。 2020年提出了一個新的假說, 原初磁場或許可以破解哈勃矛盾, 以現在的宇宙學演化理論中並沒有考慮到宇宙磁場的作用。 然而,如果在標準模型下的宇宙演化中加入磁場, 由此給出當前的宇宙膨脹速率, 就會遠比由標準模型外推的更接近實際測量結果。 這是一個令人興奮的進展。 原初磁場的最大優勢在於它不需要在宇宙學中添加任何新的成分, 磁場一定會在某種程度上發揮作用。 這裏的關鍵就在於,眼下並不清楚原初磁場是否存在, 如果存在的話,它們預期會極其微弱, 就像來自一個宇宙的幽靈般的遺蹟, 藉由宇宙之中某些未知的現象, 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,即便是現有天理中的磁場, 也都是由已存在的種子磁場經過放大而產生的。 在這種情況下,由黑洞或者其他天理物理過程產生的磁場, 就會取代更古老的磁場。 證明存在原初磁場最有力的方法, 就是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, 位於連接着宇宙網的纖維結構中。 如果在巨洞中真的發現了磁場, 用天理物理過程無法解釋它的存在。 由於巨洞中的物質極少, 對微弱磁場的唯一解釋就是它們自一開始就已經存在。 因此,如果在宇宙網巨洞中真的發現了磁場, 那就是原初磁場存在的確鑿證據。 早期宇宙中存在着極其微弱的磁場, 而這些磁場至今仍然在影響着宇宙大磁度結構。 起源於宇宙最初時刻的磁場, 它的強度可能僅相當於人類大腦神經元產生的磁場。 科學家通過25萬次計算機模擬, 研究團隊探索了原初磁場在宇宙網中形成的作用。 這些模擬是迄今爲止規模最大、精度最高的同類研究。 這些發現與近期宇宙微波背景輻射的獨立研究結果相互印證, 爲我們理解宇宙早期物體事件提供了新的證據。 磁場的存在會增加宇宙網的密度, 加速恆星與星系的形成。 未來可能借助詹姆斯微波太空望遠鏡的觀測, 我們或許可以進一步驗證這些結果。 2019年,天文學家在宇宙纖維結構中發現了磁場, 它的直立線連接了相隔1000萬光年的兩個星系團。 最近,科學家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了存在微弱的磁場。 雖然磁場散佈在很大的區域中,它發出的輻射也相當微弱。 想要在大範圍內搜索微弱輻射,這也使得這一探測難上加難。 此外,還要排除其他的干擾因素, 例如銀河系、額外星系和一級噪音, 它們都比要尋找的信號更強。 想要在巨洞中尋找任何東西都非常困難, 因爲那裏幾乎沒有任何能與磁場相互作用的粒子, 從而難以揭示磁場的存在。 但是,得益於一項特殊的現象,巨洞也被吐出它們的祕密。 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束運動的電磁物質所組成的噴條。 耀變體是天空中最明亮、最強勁的天體之一。 關於宇宙磁場的起源,至今仍然是未解之謎。 它或許誕生於宇宙最初的暴漲時期, 或是由後來演化過程中留下的印記。 無論答案是什麼,這些都比腦電波還要微弱的磁場, 卻在數十億年的時光中塑造了星系、恆星,乃至於我們所在的宇宙。 如果未來觀測到切開它的真正源頭, 我們也將體解宇宙最深層的意義。 或許宇宙的磁力密碼正是連接過去與未來的鑰匙。