宇宙大爆炸留下的褶皺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場(Image credit: Baac3nes via Getty Images)

宇宙弦是時空中奇異的褶皺，是宇宙大爆炸早期留下的產(chǎn)物。新的研究表明，當宇宙弦在時空中穿梭，它們留下的余波可能會導致磁場的形成，而這些磁場會影響整個宇宙。這就解釋了星系和星團中為何會出現(xiàn)磁化現(xiàn)象。

幾乎每個宇宙中的實質性物體都擁有磁場。像行星和恒星這樣的小型物體，會通過它們內(nèi)部的發(fā)電機作用產(chǎn)生自己的磁場，其中帶電等離子體形成的的渦流會迫使弱磁場交疊。

天文學家觀察到像星云、超新星殘骸和原行星盤這樣龐大的物體內(nèi)部也存在磁場。在這些情況下，帶電粒子的復雜流動可以產(chǎn)生弱磁場。

像星系和星團這種宇宙中最大的物體也存在磁場。雖然它們是典型的弱磁場，約為地球磁場強度的百萬分之一，但是它們體積龐大，有些情況下甚至延伸至數(shù)百萬光年。

天文學家并不確知星系和星團是如何具有磁場的，因為要有帶電粒子聚集才能生成磁場，而宇宙生成早期，在恒星和星系出現(xiàn)之前，宇宙是處于電中性的狀態(tài)。中性氣體本身不能生成磁場，因此無論如何，宇宙得造一個磁場。

宇宙一旦擁有了最初的種子磁場，它在把中性氣體變成帶電等離子體的進化過程中，磁場就會變大。但是數(shù)十年來最初的磁場源已然成為天文學界一個永恒的謎團。

纏結的宇宙弦

預印本服務器arXiv上發(fā)表了一篇新論文，就宇宙種子磁場的來源一題，研究人員做出了可能最奇葩的解釋：宇宙弦。

宇宙弦是許多天文學家認為誕生于宇宙早期的一種理論上的物體。當宇宙年齡不到一秒時，它經(jīng)歷了幾個階段的劇烈相變。在最早的時候，四種基本力被統(tǒng)一成一個單一的力。這些相變將統(tǒng)一力逐一分裂成了引力、強相互作用力、弱相互作用力和電磁力。

隨著基本力的分裂，主要由真空構成的時空重新進行了自我整合。但這個過程可能并不完全平滑或完美，所以時空中可能出現(xiàn)了缺陷。一些缺陷表現(xiàn)為空間中的一維褶皺，就像一張紙上的褶皺。這就是宇宙弦。

天文學家自20世紀70年代宇宙弦理論誕生以來就一直在捕捉它們，時至今日，所有的探尋仍然沒有結果，然而，宇宙弦理論似乎成了所有早期宇宙理論的一般預言。

如果說宇宙弦確實存在，他們也是很奇怪的。舉例來說，由于宇宙弦折疊時空的獨特性，假使你繞它做環(huán)形運動，走完一周回到起點，這時候你會發(fā)現(xiàn)你運動的角度小于360度。宇宙弦也能振動，它的波紋延著波長光速上下振動，偶爾還會形成一個個圓圈，放射狀瘋狂振動，直至消失。

磁化的形成

該項研究的作者巧妙地利用宇宙弦獨有的特性，讓其成為了磁場的生成器。他們認為宇宙弦移動時會在時空結構里留下波紋，就像快艇后面的尾流。

宇宙弦穿行經(jīng)過等離子氣體，那些留在時空里的波紋會改變等離子氣體小區(qū)塊里的溫度和密度，所造成的差異會使電荷處于運動狀態(tài)，這可能就是磁場的開端。那些種子磁場都不會很強，小于地球磁場百萬分之一的百萬分之一，但是也已經(jīng)足夠生成磁場。

一旦宇宙弦離開該區(qū)域，余下的等離子氣體可能壓縮并冷卻形成恒星，星系和星團。隨著等離子氣體受到壓縮，最初磁場的強度可能被放大，直到天文學家今天看到的樣子。

盡管這一假設耐人尋味，但是它存在一個主要的問題- 我們至今都不知道宇宙弦是否真的存在。幸虧作者們對這一點有所回應并注明了宇宙弦可能的觀測特征。宇宙弦離開之后的很長時間里，在等離子氣體里生成磁場的相同的尾流會持續(xù)存在。最終，這些尾流會以引力波的形式橫掃地球。

如果早期的宇宙存在足夠多宇宙弦，那我們就有可能用下一代引力波探測儀觀測到時空尾流的余波。一旦我們認識到宇宙弦在某些點上確實存在，我們最終可能會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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