探测宇宙最原始的磁场

　　宇宙中可能存在着一种磁场，起源于大爆炸时期，如果得到证实，将改变宇宙学。现在天文学家正处于即将发现它的前夜。

　　从最大的尺度上看，宇宙就像一张巨网，由一个个空洞和缠绕着它们的丝状结构组成。空洞里几乎空无一物，所有的物质包括恒星、星系、星系团以及星际气体，差不多都集中在丝状结构中。

　　2021年，澳大利亚的一个天文团队证实，在宇宙的丝状结构中，在星系团和星系团之间，还存在着一种令人惊讶的东西：磁场。这些磁场的规模是如此之大，其磁力线绵延大约5000万光年之远。

　　这是首次证实宇宙中存在着空间跨度如此大的磁场。但真正令人兴奋的是，这些磁场的巨大规模表明，它们可能是宇宙大爆炸之初留下的。

　　宇宙学家们一直梦想找到这种最原始的磁场，因为它们可能蕴藏着关于万物如何形成的秘密，甚至有助于解决当今宇宙学中的某些难题。

　　被严重忽视的磁场

　　磁力是我们熟悉的一种基本作用力。遍布宇宙空间的磁场其实与任何一块磁铁所产生的磁场具有相同的起源：带电粒子(如电子)的运动。磁场是看不见的，但它们能延伸很远，因为磁力是除引力之外，唯一能在宇宙尺度上被感受到的基本作用力。

　　磁场不是什么新东西：我们对于它是什么、它做什么以及它是由什么产生的了解得很透彻。例如，地球的磁场保护我们免受太阳高能粒子的辐射。太阳的磁场会导致耀斑和磁暴。还有一类被称为“磁星”的恒星，被认为是宇宙中磁性最强的天体。

　　但是我们不知道的是，宇宙磁场的历史有多久，或者它们在多大程度上影响了宇宙的演化。我们对宇宙中发生的事情，从大爆炸那一刻开始，一直到星系和恒星形成，都有详尽的描述，唯独磁场在其中所起的作用，被我们严重忽略了。

　　原始磁场能告诉我们什么?

　　最大的争议是：磁场是早期宇宙就有的，还是后来才出现的?如果是早期就有的，那么它们可能对宇宙暴胀有着重大的影响。在暴胀阶段，新生的宇宙在不到一秒的时间内，以超光速指数式地膨胀。我们对于暴胀是如何发生的，几乎一无所知。如果有原始磁场存留至今，它们应该保存着对暴胀的一些“记忆”。这样，研究原始磁场就可以增进对暴胀的了解。

　　原始磁场也可能拥有关于第一批恒星如何形成的线索。据估计，第一代恒星迟至大爆炸后1亿年才出现。它们的出现是一个划时代的事件，从根本上改变了宇宙及其随后的演变。但第一批恒星是如何形成的?形成的时候需要磁场吗?这些问题也许都可以从原始磁场那里找到答案。

　　也许一个更大的奖励还在于，原始磁场有助于解决当前宇宙学的一个大难题——哈勃冲突。

　　我们知道，宇宙在膨胀。我们可以通过两种方式来得到当今的宇宙膨胀速率(或称哈勃常数)：一种是基于超新星亮度的测量，另一种是基于宇宙学标准模型的计算。但是，用前者得到的宇宙膨胀速率比用后者得到的大了10%左右，而且无法调和。这一困境叫“哈勃冲突”。

　　2020年，一个新的假设浮出水面：在宇宙学的标准模型中，磁场的因素过去是被忽略不计的。如果在标准模型中加入原始磁场，那么用两种方式得到的宇宙膨胀速率可能就会更趋于一致。

　　原始磁场的重要性还可从以下事实中可见一斑：天文学家在模拟银河系的“逆演化”的时候(即像倒着去播放电影一样，看看银河系最初的模样)，进行了两次模拟，一次计入原始磁场，另一次不计入原始磁场。他们想看看在两种条件下，银河系最初的模样有什么不同。

　　他们发现，计入原始磁场与没计入原始磁场相比，模拟出来的银河系体积缩小了近30%。这意味着，原始磁场让早期的银河系物质更加集中;而物质更集中，这有助于解释银河系中心超大质量黑洞的形成之谜。

　　探测原始磁场不容易

　　现在的问题是，我们不知道原始磁场是否真的存在。如果存在，到了今天，它们也早已被宇宙膨胀 “稀释”得极其微弱了，并被由黑洞或其他天体产生的更强的磁场完全遮蔽了。

　　所以，要从宇宙物质密集的地方——丝状结构——辨认出原始磁场是非常不容易的。前面提到的澳大利亚天文学家，他们是通过观测同步辐射信号(带电粒子通过磁场时产生的螺旋状偏振的无线电波)，然后扣除各种天体可能产生的磁场，来推断出原始磁场的存在的。这项工作非常艰巨，即便如此，很多人对他们的结论仍存有疑问。

　　要消除疑问，最好的办法是到宇宙中物质分布最稀疏的地方去寻找原始磁场的踪迹。什么地方的物质最稀疏呢?当然是空洞。如果在这些空洞中找到一个磁场，你就无法用其他来源来解释;唯一的解释是，它从大爆炸之初(或者接近那个时期)就已经存在。

　　可是，空洞中几乎没有任何粒子可以与磁场(如果有磁场的话)相互作用，这也就意味着我们无法用观察同步辐射信号的办法来寻找磁场。

　　还有别的办法吗?有!

　　在空洞中探测原始磁场

　　没错，空洞中的物质非常稀少，我们很难通过观察物质粒子与磁场的作用来发现磁场。但是，毕竟还是会有很多“过客”穿过广袤的空洞，并可能与磁场发生作用。所以，观察这些“过客”的行动轨迹，也能揭示磁场的存在。当然，前提是这些“过客”自身信号要足够强。

　　以来自活动星系核的喷流为例。活动星系核是受超大质量黑洞驱动，以接近光速喷出等离子体而发光的天体。它们的喷流可以喷射得非常远，甚至可以到达空洞。活动星系核是天空中最明亮的天体之一。由于它们的高能伽马射线遇到星际物质时，部分射线会被散射，使能量降低，所以它们通常伴随着一个低能的伽马射线环。但是，如果我们观测到的一个活动星系核缺乏低能伽马射线环，那就说明它的喷流穿越了空洞，再结合其他测量，如伽马射线的偏振有无法拉第效应(见小贴士：偏振与法拉第效应)，就可判断空洞中是否存在原始磁场。

　　另一种可用于探测空洞中原始磁场的是快速射电暴。快速射电暴是从遥远的星系爆发出来的寿命极短的射电脉冲，其在几微秒内发射的能量，相当于几个太阳一生中释放出的能量总和。虽然天文学家对快速射电暴的来源仍然没有达成共识，但是在过去的几年里，我们已经开始捕捉到越来越多的这种信号。

　　当一个快速射电暴穿过磁场时，射电波的偏振会发生明显的变化。譬如没穿过磁场之前，是平面偏振的;穿过磁场之后，偏振沿传播方向呈螺旋状。这一现象叫“法拉第效应”。通过测量法拉第效应，我们就可以推断出快速射电暴经过的路径上有没有磁场存在，如果有的话，还可以推算出磁场的强度。

　　还可以通过快速射电暴的另一种效应来配合探测。当快速射电暴穿过空间时，如果遇到物质粒子，一部分射电波的频率会降低，这种效应被称为“色散”。通过测量快速射电暴的色散，天文学家可以了解它所经过的区域的物质密度。因此，一个快速射电暴如果通过了一块宇宙空间后，色散极小，这说明它所经过的是物质密度极低的空洞。然后再结合测量法拉第效应，就可以让我们知道，它在穿过空洞时遇到了原始磁场。

　　探测原始磁场的望远镜

　　然而，即使原始磁场无处不在，但因为它们过于微弱，要证实其存在，需要大量的数据。举个例子，当澳大利亚天文学家在宇宙丝状结构中探测原始磁场时，他们处理了数十万张星系的图像。

　　同样，要想利用快速射电暴发现原始磁场，也需要大量的数据。具体来说，可能需要一千个以上的快速射电暴。

　　但目前我们很难获得足够数量的射电暴数据。幸运的是，新一代的射电望远镜即将迎接这一挑战。加拿大有一个在建的叫做CHIME的仪器，可以探测大数量的快速射电暴。此外，澳大利亚在建的平方千米阵列(SKA)，当完全投入使用时，将成为世界上最大的射电望远镜;届时，将能探测到数千万个快速射电暴，甚至还可以描绘出一张宇宙中的磁力线地图。

　　如果原始磁场的存在得到证实，我们对于宇宙演化的认识可能要经历一次修正。另外，一个新的谜又接踵而至：宇宙磁场的“种子”是怎么来的?不过，这是另一个故事了。

　　偏振和法拉第效应

　　光是一种横波，其振动方向与传播方向垂直。为了便于理解，你不妨把光线想象一根绳子。绳子的一头拴在树上，另一头由你拿着。绷直之后，你拿着绳子的一头上下左右摆动，在绳子上就会产生一个S形的波。波的传播方向是向前的，但波的振动却是上下左右的，与传播方向垂直。

　　当光波的振动始终保持在一个方向，或有规律地变化，科学家把这种光定义为偏振光。偏振光分为平面偏振光和圆偏振光等几种。光波的振动始终保持在一个方向的，为平面偏振光;振动方向按一定规律变化的，是圆偏振光。

　　当平面偏振光穿过磁场，受磁场的影响，光波的振动就不再保持在一个方向上，而是随着光的传播，有规律地旋转，这被称作“法拉第效应”，又称“磁致旋光效应”。