天文學家發現，磁場遍布宇宙的大部分區域，如果這些磁場可以追溯到大爆炸時期，一個重要的宇宙學謎題可能就會是以迎刃而解。
這些磁場的存在似乎有些莫名其妙——來自與冰箱磁貼同樣的實體——圍繞着地球、太陽和所有星系。20 年前，天文學家開始在星系團中探測到磁場，包括星系之間的空間。無數隐形的磁力線就像指紋一般，穿梭于星系空間。
2019 年，天文學家終于成功對星系團之間的廣闊空間進行了探測。這是一個更加稀疏的空間區域，在那裡，他們發現了迄今為止最大的磁場：長度達 1000 萬光年的磁化空間，橫跨宇宙網的一整條 “纖維”！
利用同樣的技術，天文學家在宇宙的其他地方發現了第二條磁化 “纖維”，但這可能隻是目前人類能看到的 “冰山一角”。
問題是：這些巨大的磁場從何而來？
天體實體學家對宇宙磁場進行了最先進的計算機模拟，很明顯，這與單個星系的活動、單次爆炸，或者超新星風沒有關系，并且遠遠不止于此。
一種可能是，宇宙中的磁力是原始的，可以追溯到宇宙的誕生。在這種情況下，弱磁性應該無處不在，甚至存在于宇宙網的 “空洞”（void）中。在天文學中，空洞是指纖維狀結構之間的空間，堪稱宇宙中最黑暗、最空曠的區域，無所不在的磁力會在星系和星系團中孕育出更強的磁場。
原始磁力也可能有助于解決另一個宇宙學難題：哈勃沖突（Hubble tension）。這可能是宇宙學中最熱門的話題之一。
哈勃沖突問題的核心是，根據已知的成分，宇宙膨脹的速度似乎明顯快于預期。今年 4 月，宇宙學家卡爾斯頓 · 讓達齊克（Karsten Jedamzik）和列翁 · 波戈相（Levon Pogosian）線上發表了一篇論文，目前正在接受評審。他們在論文中指出，早期宇宙的弱磁場可能導緻了今天所見到的宇宙膨脹速度比理論值更快。
原始磁場對哈勃沖突的解釋簡潔明了，以緻于讓達齊克和波戈相的論文迅速引起了人們的注意。這是一篇優秀的論文，想法很棒。
該觀點還需要更多的檢驗，以確定早期的磁場不會影響其他宇宙學運算，即使這個想法在紙面上可行，研究人員也需要找到原始磁場的确鑿證據，以确定這就是塑造宇宙的缺失因素。
盡管如此，在這麼多年來對哈勃沖突的讨論中，幾乎沒有人考慮過磁場因素，這似乎有些奇怪。大多數宇宙學家幾乎不會考慮磁場。“每個人都知道這是一個很大的難題”，幾十年來，宇宙學家都無法判斷磁場是否真的普遍存在，以及是否真的是宇宙的原始組成部分，是以他們基本上不會關注這方面。
與此同時，天體實體學家一直在收集資料。這些證據的分量使他們中的大多數人猜測，磁場确實無處不在。
宇宙的 “磁性之魂”
人類利用自然磁化的岩石制作指南針的曆史已有數千年。1600 年，英國科學家威廉 · 吉爾伯特（William Gilbert）通過對磁石的研究，認為磁石的磁力 “彷如靈魂”。他正确地推測地球本身是一塊 “巨大的磁鐵”，而天然磁石會 “朝向地球的兩極”。
隻要有電荷流動，就會産生磁場。例如，地球的磁場來自于其内部的 “發電機”，即在地核中熔融鐵對流運動所産生的電流。冰箱磁貼和磁石的磁場來自圍繞其組成原子旋轉的電子。
宇宙學模拟對磁場如何滲透到星系團中給出了兩種可能的解釋。左邊是大爆炸後瞬間彌散在宇宙中的統一 “種子”田。在右邊，天體形成過程（例如恒星形成和物質流入超大品質黑洞）會産生磁化風，這些風會從星系中溢出。
然而，一旦運動中的帶電粒子産生了 “種子”磁場，後者就可以與較弱的磁場結合，變得更大、更強。磁場 “有點像生命體”，因為磁場會接入所有可以抓住的自由能量源，并繼續成長，它們可以傳播并影響其他區域，也會在那裡成長。
磁力是除引力之外唯一能塑造宇宙大尺度結構的力，因為隻有磁力和引力才能跨越遙遠的距離 “觸及你”。相比之下，電場是局部、短暫的，因為任何地方的正電荷和負電荷都會在整體上抵消。但是你無法消除磁場；它們往往會累積并保留下來。
然而，盡管有着如此大的能量，這些磁場依然保持着 “低姿态”。它們是無形的，隻有對其他事物起作用時才能覺察到。荷蘭萊頓大學的天文學家雷努特 · 範維倫（Reinout van Weeren）參與了最近對磁化纖維結構的探測，他說：“你不可能拍一張磁場的照片；它的原理不是這樣的。”
在去年發表的一篇論文中，雷努特 · 範維倫和 28 位合著者推斷出在星系團 Abell 399 和 Abell 401 之間的纖維中存在磁場，因為他們探測到穿過其中的高速電子和其他帶電粒子會改變方向。當這些帶電粒子的路徑在磁場中扭曲時，它們會釋放微弱的 “磁阻尼輻射”（synchrotron radiation）。
磁阻尼輻射信号在低頻無線電波下最強，這為國際低頻陣列射電望遠鏡（LOFAR）的探測提供了條件。LOFAR 是一個分布在歐洲各地的射電望遠鏡網絡，由 2 萬個低頻無線電天線組成。
LOFAR 由遍布歐洲的 20,000 個單獨的無線電天線組成。
2014 年，LOFAR 團隊僅用了 8 個小時就從纖維結構上收集了資料，但射電天文學界花費了數年時間來研究如何校準 LOFAR 的測量值，使這些資料一直靜靜等待着。地球的大氣層會折射到達地面的無線電波，是以 LOFAR 就像站在遊泳池底部觀察宇宙一樣。研究人員跟蹤天空中 “信标”（位置精确的無線電發射器）的擺動，并通過校正這種擺動使所有資料變得清晰，進而解決這個問題。當他們将去模糊算法應用到纖維的資料時，他們立刻看到了磁阻尼輻射釋放的信号。
這個纖維結構看起來已經被完全磁化，而不僅僅出現于從兩端對向移動的星系團附近。研究人員目前正在分析一個 50 小時的資料集，他們希望從中揭示更多的細節。最近更多的觀測發現，磁場已經延伸到第二個纖維結構。研究人員計劃于近期發表這項研究成果。
至少存在于這兩個纖維中的巨大磁場提供了重要的新資訊。“這激起了相當多的活動，”雷努特 · 範維倫說，“因為現在我們知道，這些磁場是相對較強的。”
一束穿過空洞的光
如果這些磁場是在宇宙初期産生的，那麼問題就變成：它們是如何産生的？人們對這個問題已經思考了很長時間。
1991 年的理論提出，這些磁場可能是在電弱相轉變期間出現的。電弱相變發生在大爆炸後的極短瞬間，電磁力和弱核力分離，不再合并成單一的電弱互相作用。另一些人則認為，磁場在質子形成後幾微秒後才具體化。或者在那之後不久：已故的天體實體學家泰德 · 哈裡森（Ted Harrison）在 1973 年提出了最早的原始磁生成理論，認為質子和電子的湍流等離子體可能導緻了第一個磁場的形成。還有一些人提出，在這一切發生之前，即在宇宙暴脹過程中，空間就被磁化了。宇宙暴脹是空間的爆發性膨脹，據稱是宇宙大爆炸的開始。還有一種可能是，磁場直到大爆炸 10 億年後，宇宙結構形成時才産生。
檢驗磁生成理論的方法是研究最原始的星系間空間的磁場模式，比如纖維中安靜的部分和更空曠的空洞。某些細節，比如磁場線是平滑的、螺旋狀的還是 “像紗線球一樣到處彎曲”（按瓦查斯帕蒂所說），以及模式在不同地方和不同尺度上如何變化，都攜帶着豐富的資訊。我們可以用這些資訊與理論和模拟結果進行比較。例如，如果磁場在電弱相變期間出現，那麼由此産生的磁場線應該是螺旋的，“就像開瓶器一樣”。
問題是，我們很難探測到沒有推動任何東西的力場。早在 1845 年，英國科學家邁克爾 · 法拉第（Michael Faraday）就創立了一種探測磁場的方法，原理是線性偏振的光線在穿過磁場時會發生旋轉。“法拉第旋轉”（又稱 “法拉第效應”）的量取決于磁場的強度和光的頻率。是以，通過測量不同頻率的偏振，我們就可以推斷出沿光波傳播方向的磁性強度。如果在不同的地方這樣做，你就可以制作出（磁場的）三維地圖。
塞缪爾 · 維拉斯科 / Quanta 雜志
研究人員已經開始使用 LOFAR 對 “法拉第旋轉”進行粗略的測量，但望遠鏡很難分辨出極其微弱的信号。天文學家瓦倫蒂娜 · 維卡幾年前設計了一種算法，通過将許多空曠區域的測量資料疊加在一起，從統計學上梳理出細微的法拉第旋轉信号。“原理上，這種方法可以應用于空洞，”維卡說道。
當下一代射電望遠鏡于 2027 年投入使用的時候，通過法拉第旋轉探測磁場的技術将真正起飛。這是一個龐大的國際項目，稱為 “平方千米陣”（Square Kilometer Array，簡稱 SKA）。平方千米陣将形成一個很棒的法拉第旋轉信号探測網。該陣列将由上千台射電望遠鏡組成，預計将探測到宇宙大爆炸之後第一代恒星和星系形成時發出的電磁波，揭示磁場在恒星和星系演化過程中的作用，并探測暗能量産生的種種效應。
目前，空洞中存在磁性的唯一證據是，天文學家在觀察位于空洞後方的耀變體時，沒有觀察到朝向地球的噴流。
耀變體是宇宙中最高能的現象之一，由來自于超大品質黑洞的伽馬射線和其他高能的光線及物質組成。當伽瑪射線在太空中傳播時，它們有時會與遠古的微波發生碰撞，變成電子和正電子。然後這些粒子熄滅，變成低能量的伽馬射線。
但是在 2010 年，瑞士日内瓦天文台的安德裡 · 尼羅諾夫（Andrii Neronov）和伊夫根 · 沃夫克（Ievgen Vovk）提出，如果耀變體的明亮光束穿過一個磁化的空洞，低能量的伽馬射線似乎就會消失。磁場會使電子和正電子偏轉到視線之外。是以，當它們衰變為低能伽馬射線時，這些伽馬射線就不會朝向地球。
事實上，當尼羅諾夫和沃夫克對另一個适當位置的耀變體的資料進行分析時，他們看到了高能伽馬射線，而不是低能伽馬射線信号。瓦查斯帕蒂說：“信号的缺失才是真正的信号。”
“無信号”很難成為确鑿的證據，已經有研究者提出了關于伽馬射線消失的另一種解釋。然而，後續的觀察越來越指向尼羅諾夫和沃夫克的假說，即空洞被磁化了。這是多數人的看法，最具有說服力的是，在 2015 年，一個團隊将許多對耀變體的測量資料疊加在空洞後面，成功地梳理出耀變體周圍低能伽馬射線的微弱光暈。這種效果與預期的完全一緻，即粒子在微弱的磁場——測量結果僅為冰箱磁貼強度的萬億分之一的百萬分之一——影響下變得分散。
宇宙最大的謎團
引人注目的是，這種原始磁場的精确強度可能正是解決 “哈勃沖突”所需要的。研究人員在一個充滿等離子體的模拟年輕宇宙中加入弱磁場，發現等離子體中的質子和電子沿着磁場線飛行，并在磁場強度最弱的區域積累。這種聚集效應使帶電的質子和電子結合成電中性的氫原子。這種結合被稱為 “複合”（recombination），是宇宙誕生早期的一種相變。
這個發現可以解決 “哈勃沖突”。宇宙學家通過觀察複合過程中發出的古老輻射，計算出今天空間膨脹的速度。這束古老的光顯示了一個年輕的宇宙，其中布滿了由聲波在原始等離子體中振蕩而形成的團塊。如果由于磁場的聚集效應，複合的時間比原先預想的更早，那麼聲波就不能提前傳播那麼遠，産生的團塊也會更小。這意味着我們在天空中觀察到的那些複合時期遺留的成團特征，其傳播距離肯定比研究人員預想的更短。來自這些團塊的光在被我們觀察到時，所經過的距離也更短，意味着這些光一定穿越了膨脹更快的空間。“這就如同在一個不斷擴張的表面上奔跑；你走過的距離會變短”。
結果就是，團塊越小，意味着由此推斷出的宇宙膨脹速率就越高，而這一膨脹速率也更接近超新星和其他天體實際上正在飛離的速度。
這可能會向我們揭示（磁場的）實際存在。計算結果表明，解決哈勃沖突所需的原始磁場強度的确與耀變體的觀測結果，以及形成橫跨星系團和纖維的巨大磁場所需的初始磁場的估計值一緻。
“如果結論證明是正确的話，一切都可以串聯起來”。