天文学家有望很快发现宇宙大爆炸时期的原初磁场，这将改变人类对宇宙的认知。

原初磁场一直扑朔迷离。如果把宇宙缩小到一定程度，就会发现宇宙的结构像一张网。连接着不同星系团的气体纤维状结构是编织这张网的线绳，其余的地方则是巨大的空洞。这是宇宙中最神秘的结构之一，最近在其中有了惊人的发现。

2021年初，天文学家在星系团之间探测到了绵延约5 000万光年的磁力线。这是磁场能存在于如此大尺度上的首批证据之一。但真正令人激动的是，这么大范围的磁场表明，它们可能是源于宇宙大爆炸的遗迹。

找到原初磁场一直是宇宙学家的梦想，因为它们可以揭示万物从何而来的秘密，甚至还能解开现代宇宙学中最大的难题。然而，确凿地发现它们却是个问题。在充满磁场的宇宙深处，如何才能确定所看到的磁场源自宇宙之初？

现有的发现让天文学家越来越相信，即使还没有真正做到，但已有的理论知识和观测手段最终会取得突破。

磁场的影响

人们对磁场并不陌生。散布于宇宙空间中的磁场和冰箱上磁铁产生的磁场一样，都源自电子等带电粒子的运动和排列。磁场虽看不见，但影响深远，因为它可以作用于非常遥远的距离。

但奇怪的是，宇宙学家却经常忽视它的作用。有的天文学家甚至开玩笑说，即使去参加一个为期一周的宇宙学会议，可能一次也不会听到有人提及“磁场”这个词。

不同于黑洞或暗能量，磁场并非巨大的未知谜团。人类对磁场了解颇多，包括它是什么，它能做什么以及怎么产生它。地球的磁场保护我们免受太阳辐射的伤害。太阳磁场会导致太阳耀斑和日冕物质抛射。磁陀星则是宇宙中拥有最强磁场的天体。利用合适的设备，能看到磁力线会像指纹一样从天体物向外扩散。

最初时刻？

目前还不清楚磁场究竟有多古老，以及它们在多大程度上影响了宇宙的演化，尤其是在宇宙成形之际。虽然天文学家对于从宇宙大爆炸后的瞬间一直到恒星和星系形成之时已经有了十分详细的了解，但这其中仍有一些未解的问题，其中最大的问题之一就是磁场在其中所发挥的作用。

关于磁场最令人关切的问题是，它们在早期宇宙就已存在，还是后来才形成的。根据形成的时间和方式，原初磁场可能参与了暴胀。暴胀是宇宙所经历的瞬间指数式膨胀过程，为极早期宇宙演化成今天的样子奠定了基础。

原初磁场很可能保留有暴胀的印记，由此可以检验相关的理论猜想。原初磁场或许还能提供第一代恒星形成的线索。无论第一代恒星的形成是否需要磁场（如果需要，则意味着原初磁场必须先于第一代恒星存在），除非了解磁场的作用，否则将无法完全认识这个过程。

原初磁场甚至还能解决当下宇宙学面临的重大危机。作为目前对宇宙的最佳认识，宇宙学标准模型所预言的宇宙当前膨胀速度要小于日益完善的实际测量结果，这一不一致被称为哈勃矛盾。有一些宇宙学家正致力于解决哈勃矛盾，或者至少弄清楚它对于宇宙学意味着什么。2020年提出了一个新的假说，原初磁场兴许可以破解哈勃矛盾。

在现有的宇宙演化理论中并没有考虑磁场的作用。然而，如果在标准模型下的宇宙演化中加入磁场，由此给出的当前宇宙膨胀速率就会远比由标准模型外推的更加接近实际观测值。

这是一个令人兴奋的进展，因为原初磁场的最大优势在于它不需要在宇宙学添加任何新的成分或特性。磁场一定会在某种程度上发挥作用，但对于它在何种程度以及能以什么方式解决哈勃矛盾还所知甚少。

这里的关键就在于，眼下并不清楚原初磁场是否真的存在。如果存在，它们预期会极其微弱，就像来自一个迥异宇宙的幽灵般遗迹，绵延在极为广袤的距离上。借由宇宙之初某些未知的现象，它们甚至可以渗透到宇宙的每一个角落。一种有趣的可能性是，即便是现有天体中的磁场也都是由业已存在的种子磁场经放大而产生的。

在这种情况下，由黑洞或其他天体物理过程产生的磁场就会取代更古老的磁场，隐匿后者的踪迹。证明存在原初磁场的最有力方法就是在宇宙巨洞中找到磁场的痕迹。巨洞是宇宙中物质密度最低的地方，位于连接着宇宙网的纤维状结构之间。

如果在巨洞中发现了磁场，用天体物理过程无法解释它的存在。由于巨洞中的物质极少，对微弱磁场的唯一解释就是它们自一开始就已存在。因此，在宇宙网巨洞中发现磁场将是原初磁场存在的确凿证据。

2019年，天文学家在宇宙纤维状结构中发现了磁场，其磁力线连接了相隔1 000万光年的两个星系团。最近，通过探测带电粒子在磁场中做螺旋运动时所发出的射电波，在极其遥远的距离上发现存在微弱的磁场。

虽然磁场散布于很大的区域中，但发出的辐射也相当微弱。要在大范围内搜寻微弱辐射，使得探测难上加难。此外，还要排除其他的干扰因素，例如银河系、河外星系和仪器噪音，它们都比要找的信号更强。

想在巨洞中寻找任何东西都非常困难，因为那里几乎没有任何能与磁场相互作用的粒子，从而难以揭示后者的存在。但是，得益于一些特殊的现象，巨洞也会吐露它们的秘密。

耀变体就是一个例子。它们是由超大质量黑洞驱动的星系，这些黑洞会喷射出由接近光速运动的电离物质所组成的喷流。耀变体是天空中最明亮且最强劲的天体之一。早在2010年就发现，如果耀变体不具有明显的低能γ射线晕，那么其喷流很有可能就途经了星系外部的磁场。

扭曲的波

然而，驱动探测原初磁场的真正新动力则源于观测到了几十个快速射电暴。后者是来自遥远星系的短暂射电脉冲，强度相当于数个太阳。对于这一新发现的现象是如何产生的目前还未达成共识。但是在过去的几年中，探测到的快速射电暴数量开始变得越来越多。在此过程中有一点变得日渐清晰，它们携带了所穿过宇宙空间的信息。

研究宇宙磁场最常用的方法就是测量经过它们的辐射偏振。具有偏振的辐射只会在一个平面上振动，这些辐射可以源自恒星、星系或者是快速射电暴。当快速射电暴经过磁场时，其偏振辐射会被扭曲，从而在空间中呈螺旋形传播，被称为法拉第旋转。通过测量这一变化的程度，就可以推断辐射是否穿过了磁场及其强度。

虽然目前磁场探测的灵敏度已经比过去提高了100倍，但现有最好的射电望远镜也只能勉强探测到原初磁场发出的微弱信号。但是，相比于其他信号，快速射电暴的优点就在于它们还有一个可供测量的效应，那就是色散。

当快速射电暴发出的辐射在宇宙中传播时，由于电子和其他粒子的散射，辐射频率会降低，波形会变宽。通过测量色散，就能了解辐射所穿过区域的物质密度。因此，如果有一个快速射电暴穿过一个物质密度极低且磁场很弱的区域，那么这就意味着其信号可能穿过了一个巨洞，由此也暗示那里存在原初磁场。快速射电暴是施用这一方法的最佳工具。

然而，即使原初磁场普遍存在，其极弱的强度也意味着需要使用统计方法才能发现它们。这就要求海量的数据。

例如，就在宇宙纤维状结构中发现磁场而言，就叠加了成百上千幅星系的图像。这一图像叠加技术可以将噪声中的信号放大，从而发现微弱的射电信号。由于数据中的噪声实在太大，必须要用尽各种的统计检验方法来审视数据。如果在所有的检验之下信号依然存在，那就意味着有了新的发现。

袭来的数据洪流

同样地，为了使用快速射电暴来确凿地发现原初磁场，也需要大量的数据。这需要至少1 000个能够探测到法拉第旋转的快速射电暴。幸运的是，新一代的射电望远镜已经开始迎接挑战。根据设计，加拿大氢强度映射实验能探测到大量的快速射电暴。未来，可能会探测到数千、数万甚至数十万个快速射电暴。

作为分别位于澳大利亚和南非的平方千米阵的前身，澳大利亚平方千米阵探路者望远镜也能探测到数千个快速射电暴。在完全建成之后，平方千米阵将成为世界上最大的射电望远镜。它甚至有望进行近1 000万次观测，探测更为古老和遥远的宇宙深处。它最终将描绘出天空法拉第旋转的三维分布，这将类似于一张宇宙中的磁场图。

但这并不是庆祝的时刻。对于原初磁场的探测其答案来自稳定的数据积累，而不是发现某样特定的东西。但是，无论以何种方式找到答案，都具有重大意义。

目前的宇宙学标准模型并没有囊括磁场。因此，如果真在宇宙极早期发现了磁场，那么这将是新物理学的标志，说明需要把它纳入宇宙学模型中。

虽然仍要弄清楚磁场一开始是如何形成的，但由此却可以想见，它们兴许在恒星和星系的形成中扮演了关键的角色。

在未来的很长一段时间里，这都仍将是一个巨大的谜团。但迷雾正在散去，磁场会变得日益清晰。

资料来源 New Scientist

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本文作者伊安·泰勒（Ian Taylor）是BBC《科学焦点》（Science Focus）杂志前副主编