来自大爆炸留下的皱纹可能已经磁化了这个宇宙

By Paul Sutter

2022/11/13

Science & Astronomy

来自大爆炸遗留下来的宇宙之弦可能对宇宙磁场负责。 (Image credit: Baac3nes via Getty Images)

新的研究提出随宇宙之弦------来自大爆炸最早期留下的异域皱纹------旅行，它们可能在它们的尾迹中触发磁场的形成。科学家们在一篇新论文中提出这些磁场会然后浸泡这个宇宙，从而解释星系和星系团的磁化。

宇宙中几乎每一个实在的天体都宿主一个磁场。更小的天体如行星和恒星从它们内部的发电机作用产生它们自己的磁场，在那里涡漩的带电等离子体的流迫使弱磁场在它们自己上折叠。

在更大的尺度上，天文学家们已经观测到了在星云、超新星残骸和原行星盘中的磁场。在这些情况下，带电粒子的复杂流能产生弱磁场。

宇宙中一些最大的天体如星系和星系团维持磁场。它们典型的很弱------大约是地球磁场强度的百万分之一-------但它们是巨大的，在某些情况下延伸数百万光年。

天文学家不完全的确定星系和星系团怎样获得它们的磁场。要制造一个磁场，你需要带电粒子一起移动。但在宇宙发展的早期阶段，在第一批恒星和星系出现之前，这个宇宙是电上中性的。一种中性气体靠它本身不能产生磁场，如此不知怎的这个宇宙不得不来创造一个磁场。

一旦这个宇宙有过最初的种子磁场，当宇宙的演化改变了中性气体成带电的等离子体时它会放大它。但几十年来第一个磁场的来源一直是天文学中一个持久的秘密。

纠缠的宇宙之弦

在一篇发表在预印本服务器arXiv上的新论文中，研究人员提出对这个宇宙的种子磁场的来源或许最异域的解释：宇宙之弦。

宇宙之弦是许多天文学家相信在宇宙非常早期中形成的理论天体。当我们的宇宙还不到一秒钟老时，它经历了几个剧烈的相过渡的阶段。在最早的时候，自然的所有四种力都被统一成一个单一的力。这些相过渡拿了这个统一的力并一个接一个将它分裂为引力、强核力、弱核力和电磁力。

随每一次力的分裂，空时的基本真空重新结构了它自己。但那个过程可能一直不是彻底的平滑的或完美的，在空时中可能已经出现了缺陷。其中一些缺陷呈现为空间中一维的褶皱，就像一张纸上的褶皱一样。这些是宇宙之弦。

自从20世纪70年代提出宇宙之弦以来，天文学家一直狩猎宇宙之弦。到目前为止，所有的搜索都已经折腾出空的，然而宇宙之弦似乎是我们所有早期宇宙理论的一个一般预测。

如果宇宙之弦确实存在，它们会真的是很奇怪。例如，因为它们折叠空时的唯一方式，如果你绕着一个在圈中旅行，当你完成你的旅程并回到了你的起点时，你会发现你已经旅行了不到360度。宇宙之弦也能振动，涟漪以光速起伏旅行，偶尔的形成然后在一个疯狂的辐射中将它们振动到死的环。

 磁化的弄成

该研究的作者利用宇宙之弦的独特属性将它们变成磁场的发生器。想法是随宇宙之弦旅行了，它们会在空时的织造中留下涟漪，就像一艘快艇的尾迹一样。

如果一根宇宙之弦穿过一个等离子体，这些空时中的涟漪可能改变等离子体中小口袋的温度和密度。这些差异会设定电荷处于运动中，它们可能变成一个磁场的开端。这些种子场不会是很强的------不到地球的磁场的百万分之一的百万分之一------但这就足够了。

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一旦宇宙之弦离开该区域，剩下的等离子体可以压缩和冷却来形成恒星、星系和星系团。随等离子体被压缩它可能会已经放大那个初始场成天文学家今天看到的强度。

虽然这个假设是有趣的，但它有一个主要问题：我们还不知道是否宇宙之弦存在。值得庆幸的是，作者们强调了这一点并指出了宇宙之弦的一个潜在的观测签名。那些在等离子体中产生磁场的同一尾迹在宇宙之弦已经离开后持续很长一段时间。最终，这些尾迹以引力波的形式冲刷过地球。

如果早期宇宙中有足够的宇宙之弦，对我们用下一代引力波探测器来观测它们的空时尾迹的残余可能是可能的。而一旦我们知道宇宙之弦实际的在某个点上存在了，我们刚好可以最终知道是什么造成了这个宇宙来变得被磁化的。