Post Sat Mar 29, 2014 7:56 am

塑造宇宙的磁场,来自何处?

塑造我们的宇宙的力量,并非只有引力一个。长久以来一直被人遗忘的磁场,或许也在其中起到了不可忽视的作用。

每每谈到宇宙,引力就当仁不让。是它让我们的双脚牢牢地站在地上,也是它塑造了我们的宇宙。它使得气体云发生坍缩,进而形成恒星和行星。它孕育了星系中数千亿颗的恒星,也正是在它的作用下,星系聚集成了星系团,进一步又形成了超星系团。然而,在这场游戏中,引力并非唯一的玩家----还有一种力纵横于宇宙之间,它就是磁力。

在接近真空的宇宙里,磁场可以延伸到非常远的距离,即便是星系间数十亿光年的广袤空间也不在话下。当然,这些磁场极其微弱。冰箱贴上磁铁的磁场,与银河系内外弥漫着的磁场相比,强度要高出100多万倍。这也许正是在宇宙学中磁场往往会被忽略的原因。毕竟,这么微不足道的东西怎么会影响整个星系呢?

然而,时代和观点正在发生改变。没错,引力把天体维系在了一起,但宇宙学中最关键的物理过程,从恒星形成到黑洞射出的高能喷流,都需要磁场的参与。“结果是,只要加入星际磁场的作用,之前天文学中许多的未解之谜,一下子就豁然开朗了,”澳大利亚悉尼大学的布赖恩・盖斯勒(Bryan Gaensler)如是说。

对于更大尺度的宇宙而言,也是如此吗?星系以及更大尺度上的磁场之所以如此吸引人,是因为它们也许是大爆炸后不久发生的某些物理过程的遗存。另外,宇宙中大多数可见的物质都由带电粒子组成,它们的运动遵从于磁场和引力的支配。于是,这催生了一种诱人的可能性----从时间开始之初,磁场就在塑造宇宙的过程中扮演了关键的角色。

不过,在确定这一点之前,我们还需要回答一些重要的问题:磁场究竟是在何时,以何种方式形成的?

我们已经知道,磁场在我们地球附近起到了重要的作用。1835年,德国物理学家卡尔・弗里德里希・高斯(Carl Friedrich Gauss)借助系在一根线上的磁铁,首次测量了地球磁场。现在,对于太阳和地球如何产生各自的磁场,我们已经有了很好的认识。当地球外核中的熔融铁(或者太阳内部的等离子体)做切割磁力线运动的时候,会诱导产生电流。这些电流又会产生磁场,来补充业已存在的磁场。得益于这一发电机作用,微弱的“种子”磁场可以增长成强得多的磁场。

事情还不止于此。地球的磁场保护了臭氧层免受高能粒子的破坏,让我们的地球不会暴露在有害的紫外线之下。太阳的磁场也保护着我们,偏转了来自太阳系之外有害的粒子。在更大的尺度上,磁场甚至还有助于生命的起源。

然而,过去鲜有人预期,星际空间中会有磁场。第一个证据出现在1949年,当时美国天文学家约翰・霍尔(John Hall)和威廉・希尔特纳(William Hiltner)发现,有“东西”使得星光在飞向我们的过程中发生了偏振。结果显示,这样东西其实就是宇宙磁场,它们会使得星际尘埃颗粒像微小的罗盘指针一样整齐排列。盖斯勒说,这是一项惊人的发现。

自那时起,一系列的技术被研发出来,用以测量银河系以及近邻星系中的磁场。2011年,德国马普学会天体物理研究所的尼尔斯・奥珀曼(Niels Oppermann)及其同事,绘制了迄今最好的银河系磁场分布图,揭示出磁力线沿着银河系的旋臂结构分布,还确认了银河系的总磁场强度只有几个微高斯(1微高斯 = 10-6高斯)----仅为地球表面磁场的十万分之一。

天文学家相信,在类似银河系的旋涡星系中,磁场会通过一个“发电机”而被放大和维持。随着星系的自转,带电粒子会切割业已存在的磁场,使之进一步增强。“理论认为,星系诞生时伴有微弱得多的磁场,” 加拿大女王大学的天体物理学家拉里・威德罗(Larry Widrow)说,“但这些作为发电机种子的微弱原初磁场,又是从哪儿来的呢?”

最初的磁场

几十年来,科学家一直试图解开这个谜题,但他们的仪器设备还没有足够的灵敏度,来检验任何一个理论。

于是,有关的模型层出不穷。一种理论认为,最初的磁场由极早期的恒星产生,然后通过星风或者超新星爆发,扩散到了星际介质当中。另一种理论则认为,大约在大爆炸之后1亿年,当第一代星系形成时,位于其中心的超大质量黑洞产生了极强的磁场,之后被它强劲的喷流送入了星系际空间。一种新近的观点则认为,宇宙磁场可能是由年轻星系中的等离子体涨落产生的。只要你有了微弱的磁场,它就可以通过发电机效应被放大。因此星际介质(恒星间的气体和尘埃)的转动和湍动会增强最初的微弱磁场。在一颗恒星或者中央黑洞自转一周的时间里,这些过程可以让磁场的强度翻倍。和宇宙的年龄比起来,这些时间跨度是微不足道的,因此新生的磁场可以迅速达到可观的强度。

但问题是,果真如此的话,遥远年轻星系的磁场就应该比近邻年老星系的磁场弱得多才对。然而,天文学发现的大量证据表明,这些早期的星系中也存在着微高斯强度的磁场。于是,要么那里的发电机效应更强,要么磁场的种子就形成得更早,就形成于大爆炸之中。

澳大利亚的平方千米天线阵探路者(ASKAP)被用来寻找宇宙线中的电子绕磁力线运动所发出的射电波。图片来源:csironewsblog.com

时间之初

威德罗和他在美国芝加哥大学的同事迈克尔・特纳(Michael Turner)在1988年提出了这一设想。他们认为,原初磁场是在大爆炸后不久形成的,之后经由宇宙超光速膨胀的暴胀阶段而放大。今天我们观测到的大尺度星系结构,便是由那个时期中能量的量子涨落而形成的。威德罗和特纳证明,暴胀也可以放大电磁场的涨落,让整个宇宙也弥漫着磁场。

为了使得这个想法奏效,他们不得不对描述电磁场的麦克斯韦方程组进行改造,引入了一种特殊的粒子,称之为轴子(axion)。威德罗承认:“这个想法很特别,并且在理论上困扰着粒子物理学家。”他们计算得出的种子磁场,强度为10-50高斯----这意味着必须要有一个强大的“发电机”,才能把磁场强度放大到今天我们观测到的数值。

不过,威德罗和特纳想法依然启发了其他许多人。“他们的理论首次提出了在暴胀中可以产生磁场的观点,”德国哥廷根大学的多米尼克・施莱歇(Dominik Schleicher)说,“它标志着我们认识中的一块基石。”

2013年初,意大利巴里大学的物理学家莱昂纳多・坎帕内利(Leonardo Campanelli)在不修改标准物理学的情况下,解释了这些涨落如何能够形成原初磁场。他使用了被称为重整化的数学技巧。粒子物理学家早已使用这一方法来消除会使得方程失效的无穷大。坎帕内利说:“之前没有人想到用重整化来处理原初磁场问题。”

他得到的原初磁场强度要高得多,达到了10-12高斯,仍然小于星系际空间观测到的10-6高斯。但是他说,随着第一代恒星和星系的形成,这一背景磁场足以被放大到今天的数值。

威德罗对坎帕内利的论文留下了深刻的印象。他说:“如果这篇论文中的计算是正确的,那么大尺度的磁场将会成为暴胀自然且意料之中的产物,无需对物理学规律做特殊的修改。”

其他人则对在暴胀或者其之后不久就产生宇宙尺度的磁场提出了疑问。这是因为,磁场有可能会在被称为“黑暗时代”的阶段中被几乎完全抹掉。

在最初的378000年间,宇宙的温度过高,无法形成原子,只有电子、核子和光子。这锅翻腾的带电粒子是放大暴胀时期形成的种子磁场的绝佳场所。

随着宇宙的膨胀,它逐渐冷却,使得质子可以俘获电子形成中性的氢原子。随着它们的结合,这些粒子会向宇宙释放出一波辐射----这就是宇宙微波背景(CMB)。

之后,宇宙就进入了黑暗时代,因为在这个时期,没有任何天体会发出光。那时唯一的辐射源就是氢原子,它会辐射出波长为21厘米的射电波。

对于宇宙磁场来说,它面临的主要问题是带电粒子数目的陡降。在黑暗时代中,对应于每10000个氢原子,只有1个自由电子或质子。由于磁场依赖于电子或者质子的运动,一些科学家认为,此时种子磁场可能会被抹去。

黑暗时代一直延续到宇宙中有第一批光源出现为止。随着恒星和星系的形成,它们会释放出巨量的辐射,将氢原子的电子剥离出去。这一再电离时期会持续大约10亿年,也意味着宇宙那时会充斥着有利于磁场的电子和质子。

我们还不确定宇宙磁场是如何应对这些纷乱年代的。然而,在不同的理论辗转了几十年之后,也许很快就会有答案了。

通过综合来自多架望远镜对宇宙历史不同时期的观测结果,天文学家将能够追踪磁场的演化。知晓宇宙早期的磁场强度以及它们的演化,将帮助我们限制磁场起源的模型。

根据英国曼彻斯特大学天文学家理查德・戴维斯(Richard Davis)的说法,研究CMB的普朗克卫星兴许在2014年会给出对宇宙磁场的首个分析结果。如果宇宙年龄为378000年时确实有原初磁场存在,那么它们应该会在CMB中留下印迹。

整合望远镜

和“普朗克”的科学家一同作战的还有低频阵(LOFAR)的射电天文学家。LOFAR的天线遍及欧洲的5个国家。此外还要再加上位于澳大利亚的两台仪器设备----澳大利亚的平方千米天线阵探路者(ASKAP)和默奇森大视场天线阵----的天文学家。他们都在寻找射电同步辐射:由宇宙线中的电子绕磁力线运动所发出的射电波。

LOFAR是专门设计来测量长波辐射的,因此它可以探测较弱的磁场(例如星系间的磁场),研究磁场到底能从星系盘延伸出去多远。它还能探测早期宇宙中星系里的磁场。

作为ASKAP宇宙磁场项目的领导者之一,盖斯勒对于甄别哪些理论是正确的很有信心。他说,“两年内我们就会知道答案。”

德国马普学会射电天文研究所的赖纳・贝克(Rainer Beck)说,如果他们在原星系中发现了强磁场的证据,这将会佐证磁场始于年轻星系中的激波波前或者等离子体涨落。然而,如果在星系核附近发现了最初的磁场,那就将支持早期恒星或者早期星系的发电机效应。

随着一平方千米天线阵(SKA)在澳大利亚和南非开工建造,更强大的观测能力也即将成形。由数千面射电天线构成的SKA将使得科学家能以10倍于今天的分辨率来研究磁场。SKA将在21世纪20年代初进行首次观测。它将探测宇宙再电离时期,搜寻出现在宇宙中的第一代天体。它也会用来搜寻宇宙的早期磁场。“SKA会让我们以前所未有的灵敏度来测量射电波的强度和偏振,”加拿大萨斯喀彻温大学的天体物理学家伊桑・维许尼亚克(Ethan Vishniac)说。

贝克说,如果SKA发现在第一代天体周围存在强磁场,原初磁场理论就会得到支持。这将表明,磁场先于星系形成,可能会对星系的演化产生影响。在这一情况下,“普朗克”或者下一代CMB探测卫星将会有助于对其的研究。

一大批望远镜正在观测宇宙中久远过去的磁场,以便了解磁场的起源,以及它们对宇宙演化的影响。图片来源:《新科学家》

在10年左右的时间里,所有这些望远镜和卫星的观测结果将会重新绘制我们的宇宙图景。“针对星系演化的绝大多数气体动力学数值模拟都忽略了磁场,”美国哈佛大学的天文学家阿维・洛布(Avi Loeb)说,“下一步的前沿是把磁场和宇宙线也包括进来,看一看对星系的影响。”

只有了解了引力和磁场如何操控宇宙,我们才会真正了解宇宙的运转方式。

扩展阅读

微弱的磁场催产生命

你需要1000万个银河系才能把一份购物清单吸到冰箱的门上,我们银河系的磁场就是这么微弱。但是它仍能对被称为宇宙线的带电粒子的运动产生影响,弯曲它们的轨迹,甚至可以把它们束缚在银河系中达数百万年。

美国哈佛大学天文学家阿维・洛布指出,如果没有磁场,宇宙线在形成后不久就会飞出银河系。其影响是深远的。他说:“宇宙线是银河系重要的成分。它们会电离原行星盘深处的气体。它们对于地球上生物体的变异也非常重要。总之,它们是生命的要素。”

的确,生命的出现可能是磁场偏转高能宇宙线的杰作。这些高能粒子似乎会在稠密的气体云中开启形成糖、氨基酸和生命所需其他物质的化学反应。尽管如此,我们仍不确定宇宙线起源自何方,因为磁场改变了它们的运动轨迹。洛布说,通过研究磁场,我们将会找到有关宇宙线起源的线索,并解开这个极其重要的谜题。