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不断探索宇宙的奥秘 隐藏的磁性宇宙开始被发现!

天文学家认为在宇宙的中充满着磁场,哪怕在宇宙的虚空中,也一样存在磁场。当宇宙学家想出一种寻找宇宙深空磁场的新方法时,他们运用该种方法,果然在那里发现了磁场。

我们知道磁场围绕地球、太阳和所有星系。二十年前,天文学家开始探测整个星系团的磁场,包括一个星系与另一个星系之间的空间。看不见的磁场线像我们的指纹的凹槽一样在星系之间的空间中跳跃。

去年,天文学家终于设法检查了一个较稀疏的空间区域,即星系团之间的广阔区域。他们在那里发现了迄今为止最大的磁场:1000万光年的磁化空间,跨越了宇宙网“长丝”的整个长度。已经通过相同的技术在宇宙中的其他地方发现了第二条磁化丝状天体。意大利卡利亚里国家天体物理研究所的费德里卡戈沃尼(Federica Govoni)说:“我们可能只是看到了冰山一角。”

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问题是:这些巨大的磁场从何而来?

博洛尼亚大学的天体物理学家弗朗哥瓦扎(Franco Vazza)说:“显然,它与单个星系的活动,单个爆炸的活动,或者超新星产生的风都没有关系。”博洛尼亚大学的天体物理学家弗朗哥瓦扎(Franco Vazza)说,“这远远超出了。”弗朗哥瓦扎进行了最先进的宇宙磁场计算机模拟。

一种可能性是宇宙的磁力是原始的,一直追溯到宇宙的诞生。在那种情况下,弱磁应该存在于任何地方,即使在宇宙网的“空隙”中宇宙中最黑暗,最空的区域。无所不在的磁场将为在星系和星团中成长的更强磁场播下种子。

原始磁性可能还有助于解决另一个被称为哈勃张力的宇宙学难题,这可能是宇宙学中最热门的话题。

哈勃张力的核心问题是,根据其已知的成分,宇宙的膨胀似乎比预期的要快得多。在四月份在线发表并接受《物理评论快报》审查的一篇论文中,宇宙学家卡尔斯滕杰丹兹克(Karsten Jedamzik)和莱文波高斯安(Levon pogosian)认为,早期宇宙中的弱磁场将导致当今宇宙膨胀速度更快。

原始磁性缓解了哈勃张力问题,以至于杰丹兹克和波高斯安的论文引起了人们的快速关注。约翰霍普金斯大学的理论宇宙学家马克卡米恩科夫斯基说:“这是一篇出色的论文和想法。”他提出了解决哈勃张力的其他解决方案。

卡米恩科夫斯基(Kamionkowski)等人说,需要做更多的检查,以确保早期的磁力不会影响其他宇宙学计算。即使这个想法在纸上奏效,研究人员也需要找到原始磁力的确凿证据,以确保它是塑造宇宙的不可缺的物质。

尽管如此,在多年来一直在讨论哈勃张力的过程中,以前没有人考虑过磁力,这也许很奇怪。加拿大西蒙弗雷泽大学(Simon Fraser University)教授波高斯安(pogosian)表示,大多数宇宙学家几乎没有想到磁性。他说:“每个人都知道这是其中的一大难题。”但是几十年来,一直没有办法证明磁场是否真的无所不在,也无法证明它是宇宙的原始组成部分,因此宇宙学家在很大程度上不再关注。

同时,天体物理学家一直在收集数据。大量证据使大多数人怀疑磁场确实存在。

宇宙的磁魂

1600年,英国科学家威廉吉尔伯特(William Gilbert)对磁石的研究人们已经将其磁化成指南针的天然磁化岩石使他认为它们的磁力“模仿了一个灵魂”。 他正确地推测地球本身就是一块“巨大的磁铁”,而菱形岩“朝着地球的两极看”。

每当电荷流动时都会产生磁场。 例如,地球的磁场源于其内部的“发电机”,即铁水在其核心中搅动的电流。冰箱磁铁和铁矿石的磁场来自围绕其构成原子旋转的电子。

但是,一旦运动中的带电粒子产生了“种子”磁场,则可以通过将较弱的磁场与其对齐来变得更大和更强。磁性“有点像活的生物,”德国马克斯普朗克天体物理研究所的理论天体物理学家托斯滕恩斯林说,“因为磁场会吸收到它们可以保持并生长的每个自由能源中。它们的存在会扩展并影响其他地区,并在这些地区发展。”

日内瓦大学理论宇宙学家露丝杜勒(Ruth Durrer)解释说,除了引力以外,磁力是唯一可以塑造宇宙大规模结构的力,因为只有磁力和引力才能在很长的距离上“伸向你”。相比之下,电力是局部的并且是短暂的,因为任何区域中的正电荷和负电荷将整体中和。但是你不能抵消磁场;它们倾向于累加生存。

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莱顿大学的天文学家里纳特范韦伦(Reinout van Weeren)和28位合著者在去年的论文中推断出,银河星系团Abell 399和Abell 401之间的丝状物中存在磁场,其方式是通过磁场重定向高速电子和其他通过它的带电粒子。当它们的路径在磁场中扭曲时,这些带电粒子释放出微弱的“同步辐射”。

同步加速器信号在低无线电频率下最强,因此,可以由在欧洲分布的20,000个低频无线电天线阵列LOFAR进行探测。

该小组实际上是在2014年进行了一个八小时的探测,从星系间的丝状天体中收集了数据,但是由于射电天文学界花费了数年的时间来研究如何改善LOFAR测量的校准,数据一直处于等待状态。地球的大气层会折射穿过它的无线电波,因此LOFAR就像从游泳池底部一样观察宇宙。

研究人员通过跟踪天空中的“信标”(具有精确已知位置的无线电发射器)的摆动并进行校正以消除所有数据的模糊,从而解决了该问题。当他们将去模糊算法应用于丝状天体的数据时,他们立即看到了同步加速器发射的光辉。

丝状天体看起来整个都被磁化了,而不仅仅是从两端向彼此移动的银河星团附近。研究人员希望他们现在正在分析的50小时数据集可以揭示更多细节。最近的其他观察还发现了遍及第二根丝状物的磁场。研究人员计划尽快发表这项研究结果。

至少在这两根丝状物中存在巨大的磁场,这提供了重要的新信息。范韦伦说:“它激发了相当多的活动,因为现在我们知道磁场相对较强。”

穿过虚空的光

如果这些磁场出现在婴儿宇宙中,那么问题就变成了:如何? “人们长期以来一直在思考这个问题,”亚利桑那州立大学的坦迈瓦查帕蒂(Tanmay Vachaspati)说。

1991年,瓦查帕蒂提出,在电磁弱相变期间(即大爆炸之后的一瞬间)可能会产生磁场,当时电磁力和弱核力变得明显。其他人则认为,质子形成后,磁性会在几秒钟后发生。或不久之后:已故的天体物理学家泰德哈里森(Ted Harrison)在1973年的原始磁致化理论中指出,质子和电子的湍流等离子体可能使第一个磁场旋转。

还有一些人提出,在宇宙膨胀期间,所有这一切之前,就已经使空间磁化了。据称,爆炸性的空间膨胀是宇宙大爆炸本身的开始。直到十亿年后结构的增长,这种情况才有可能发生。

检验磁化理论的方法是研究银河系空间中最原始的斑块中的磁场模式,例如丝状天体的安静部分和更空的虚空。某些细节(例如磁力线是平滑的,螺旋的还是“沿任何方向弯曲的,例如像毛线球之类的东西”,以及图案如何在不同位置和不同比例上变化)承载着丰富的信息,这些信息可以与理论和模拟进行比较。例如,如果像瓦查帕蒂所建议的那样,如果在电弱相变期间产生了磁场,那么产生的磁力线应该是螺旋形的,“就像开瓶器一样”,他说。

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波高斯安在阅读杰丹兹克的论文时发现,这可以解决哈勃张力问题。宇宙学家通过观察重组过程中发出的古老光,来计算当今空间应膨胀的速度。光线显示出一个年轻的宇宙,上面布满了斑点,斑点是由原始等离子体中晃动的声波所形成。

如果由于磁场的聚集效应而发生的重组比预期的早,那么声波可能不会传播得那么远,并且产生的斑点会更小。这意味着重组后我们在天空中看到的斑点必须比研究人员想象的更接近我们。来自斑点的光必须行进更短的距离才能到达我们,这意味着光必须一直在遍历更快膨胀的空间。“这就像试图在不断膨胀的表面上运行;您所覆盖的距离更短,”波高斯安说。

结果是,较小的星系团意味着较高的推断宇宙膨胀率使推断率更接近于超新星和其他天文物体实际飞离速度的测量值。

"我想,哇,"波高斯安说,"这可能把我们指向[磁场]的实际存在。所以我立即写信给了卡斯滕。就在新冠封锁之前,两人于二月份在蒙彼利埃聚会。他们的计算表明,解决哈勃张力问题所需的原始磁力也与耀变体观测结果相符,并且原始磁场的估计大小与成长跨越星系团和丝状天体的巨大磁场所需的磁场大小一致。"这一切都非常吻合,"波高斯安说,"不过,这还需要更多事实来证明其正确性。"

困难在于,虚空中的力场很难检测到。

一种方法,由英国科学家迈克尔法拉第(Michael Faraday)于1845年率先提出,从旋转光的极化方向的方式检测磁场。"法拉第旋转"的量取决于磁场的强度和光的频率。因此,通过测量不同频率的极化,您可以推断出沿视线的磁性强度。恩斯林说:“如果您在不同的地方进行操作,则可以制作3D图。”

研究人员已经开始使用LOFAR进行法拉第旋转的粗略测量,但是望远镜很难拾取微弱的信号。美国国家天体物理研究所的天文学家戈沃尼和同事瓦伦蒂娜瓦卡(Valentina Vacca)于几年前设计了一种算法,该算法通过将许多虚空区域的测量结果叠加在一起,从统计角度上分析法拉第微妙的旋转信号。瓦卡说:“原则上,这可以用于宇宙虚空。”

但是,当下一代射电望远镜(一个叫做方公里阵列)的巨型国际项目于2027年启动时,法拉第技术将真正腾飞。“ SKA应该会产生出奇妙的法拉第网格,”恩斯林说。

到目前为止,虚空中唯一的磁性证据,是观察者观察到位于虚空后面的称为耀变体时看不到的东西。

耀变体是由超大质量黑洞驱动的伽玛射线和其他高能光束以及物质的明亮光束。随着伽马射线在太空中传播,它们有时会与古老的微波发生碰撞,从而变形成电子和正电子。这些粒子然后衰变,并变成能量较低的伽马射线。

但是,2010年日内瓦天文台的安德里尼罗诺夫(Andrii Neronov)和伊夫根沃夫克(Ievgen Vovk)认为,如果耀变体的光通过磁化的虚空,似乎将缺少低能伽马射线。磁场会使电子和正电子偏转到视线。当它们衰减成能量较低的伽玛射线时,这些伽玛射线将不会指向我们。

的确,当尼罗诺夫和沃夫克分析来自适当位置的耀变体的数据时,他们看到了其高能伽马射线,但看不到低能伽马射线信号。瓦查帕蒂说:“没有信号就是信号。”

无信号几乎不是吸烟枪,并且已经提出了对丢失的伽马射线的替代解释。然而,后续观察越来越多地指出尼罗诺夫和沃夫克的假设,即虚空被磁化。"这是大多数人的观点,"杜勒说。最令人信服的是,在2015年,一个团队在虚空后面叠加了许多对耀变体的测量,并设法找出了在虚空处周围微弱的低能量伽马射线光环。如果粒子被微弱的磁场分散,效果恰好是预期的磁场强度只有冰箱磁铁的万分之一。

宇宙学最大的谜团

令人惊讶的是,原始磁场的确切数量可能正是解决哈勃张力(宇宙奇异快速膨胀问题)所需要的。

这就是波高斯安在看到法国蒙彼利埃大学的卡尔斯滕杰丹兹克和他的合作者最近进行的计算机模拟时所意识到的。研究人员将弱磁场添加到模拟的充满等离子体的年轻宇宙中,发现等离子体中的质子和电子沿着磁场线飞行,并聚集在最弱的磁场强度区域。这种成簇效应使质子和电子比原先更早地结合成氢(一种称为复合的早期相变)。

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