宇宙大爆炸留下的褶皱可能引起了宇宙磁化

是什么造成了宇宙磁化？

宇宙大爆炸留下的宇宙弦可能引起了宇宙磁场(Image credit: Baac3nes via Getty Images)

宇宙弦是时空中奇异的褶皱，是宇宙大爆炸早期留下的产物。新的研究表明，当宇宙弦在时空中穿梭，它们留下的余波可能会导致磁场的形成，而这些磁场会影响整个宇宙。这就解释了星系和星团中为何会出现磁化现象。

几乎每个宇宙中的实质性物体都拥有磁场。像行星和恒星这样的小型物体，会通过它们内部的发电机作用产生自己的磁场，其中带电等离子体形成的的涡流会迫使弱磁场交叠。

天文学家观察到像星云、超新星残骸和原行星盘这样庞大的物体内部也存在磁场。在这些情况下，带电粒子的复杂流动可以产生弱磁场。

像星系和星团这种宇宙中最大的物体也存在磁场。虽然它们是典型的弱磁场，约为地球磁场强度的百万分之一，但是它们体积庞大，有些情况下甚至延伸至数百万光年。

天文学家并不确知星系和星团是如何具有磁场的，因为要有带电粒子聚集才能生成磁场，而宇宙生成早期，在恒星和星系出现之前，宇宙是处于电中性的状态。中性气体本身不能生成磁场，因此无论如何，宇宙得造一个磁场。

宇宙一旦拥有了最初的种子磁场，它在把中性气体变成带电等离子体的进化过程中，磁场就会变大。但是数十年来最初的磁场源已然成为天文学界一个永恒的谜团。

缠结的宇宙弦

预印本服务器arXiv上发表了一篇新论文，就宇宙种子磁场的来源一题，研究人员做出了可能最奇葩的解释：宇宙弦。

宇宙弦是许多天文学家认为诞生于宇宙早期的一种理论上的物体。当宇宙年龄不到一秒时，它经历了几个阶段的剧烈相变。在最早的时候，四种基本力被统一成一个单一的力。这些相变将统一力逐一分裂成了引力、强相互作用力、弱相互作用力和电磁力。

随着基本力的分裂，主要由真空构成的时空重新进行了自我整合。但这个过程可能并不完全平滑或完美，所以时空中可能出现了缺陷。一些缺陷表现为空间中的一维褶皱，就像一张纸上的褶皱。这就是宇宙弦。

天文学家自20世纪70年代宇宙弦理论诞生以来就一直在捕捉它们，时至今日，所有的探寻仍然没有结果，然而，宇宙弦理论似乎成了所有早期宇宙理论的一般预言。

如果说宇宙弦确实存在，他们也是很奇怪的。举例来说，由于宇宙弦折叠时空的独特性，假使你绕它做环形运动，走完一周回到起点，这时候你会发现你运动的角度小于360度。宇宙弦也能振动，它的波纹延着波长光速上下振动，偶尔还会形成一个个圆圈，放射状疯狂振动，直至消失。

磁化的形成

该项研究的作者巧妙地利用宇宙弦独有的特性，让其成为了磁场的生成器。他们认为宇宙弦移动时会在时空结构里留下波纹，就像快艇后面的尾流。

宇宙弦穿行经过等离子气体，那些留在时空里的波纹会改变等离子气体小区块里的温度和密度，所造成的差异会使电荷处于运动状态，这可能就是磁场的开端。那些种子磁场都不会很强，小于地球磁场百万分之一的百万分之一，但是也已经足够生成磁场。

一旦宇宙弦离开该区域，余下的等离子气体可能压缩并冷却形成恒星，星系和星团。随着等离子气体受到压缩，最初磁场的强度可能被放大，直到天文学家今天看到的样子。

尽管这一假设耐人寻味，但是它存在一个主要的问题- 我们至今都不知道宇宙弦是否真的存在。幸亏作者们对这一点有所回应并注明了宇宙弦可能的观测特征。宇宙弦离开之后的很长时间里，在等离子气体里生成磁场的相同的尾流会持续存在。最终，这些尾流会以引力波的形式横扫地球。

如果早期的宇宙存在足够多宇宙弦，那我们就有可能用下一代引力波探测仪观测到时空尾流的余波。一旦我们认识到宇宙弦在某些点上确实存在，我们最终可能会知道到底是什么引起了宇宙的磁化。

BY: Paul Sutter

FY: Brite Sun

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