揭秘宇宙磁场的秘密!到底从哪来?

[2015-07-17] 作者:世界未解之迷网 阅读量: 分享到_微信朋友圈:

  磁场可能弥漫整个宇宙

  在支配万物运动的4种基本作用力(引力、电磁力、强核力和弱核力)中,到了宇宙天体这一尺度,几乎单剩了引力“一枝独秀”。不仅宇宙的等级结构—恒星聚集成星系,星系组成星系团,星系团又麇集为超星系团—是由引力塑造的,就是所有的天体,恒星、行星、白矮星和黑洞等,也都是引力打造的。

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  然而,说到具体天体的形成,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。宇宙中一些最关键的物理过程,从恒星形成到黑洞射出的高能喷流,都需要磁场的参与。

  在接近空无一物的宇宙空间,磁场可以延伸得非常远,即便是星际数十亿光年的距离也不在话下。当然,这些磁场是极其微弱的。冰箱门上的磁场与弥漫银河系内外的磁场相比,强度要高出1000多万倍。这也许正是在宇宙学中,磁场往往会被忽略的原因。

  有人猜测,磁场可能是大爆炸之后不久的某些物理过程遗存下来的,按此推测,自“开天辟地”以来,磁场就在塑造整个宇宙的过程中扮演了重要角色。

  不过,在确定这一点之前,我们还需要回答另一个重要问题:宇宙磁场究竟是以何种方式形成的?

  宇宙磁场的“发电机效应”

  在物理学中,磁现象本质上是电荷的运动,电荷的运动产生磁场。我们知道,普通物质由原子组成,而原子又由原子核和电子组成,电子绕原子核运动。因为电子带电,所以它的运动就产生了磁场。一个原子其实就相当于一枚小磁针。在通常的材料中,这些小磁针的朝向是杂乱无章的,结果它们的磁场两两抵消,整块材料显不出磁性来。为了让物体显磁性,须得让里而的“小磁针”排列有序(如永磁体),或者产生电流(如通电螺线管)。

  我们最熟悉的天体——地球和太阳——都有磁场。它们是如何获得磁场的呢?按天文学家的看法,地球和太阳与生俱来就有微弱的磁场;然后,当地球外核中的液态铁(或者太阳内部的等离子体)在地球(或太阳)自转的过程中,做切割磁力线运动的时候,会诱导产生电流;这些电流又会产生新的磁场,来补充业已存在的磁场;得益于这一作用,微弱的“种子”磁场可以增长成强得多的磁场。这一过程叫作“发电机效应”。

  天文学家相信,在类似银河系的旋涡星系中,磁场也会通过“发电机效应”来放大和维持:随着星系自转,星系中的带电粒子会切割业已存在的微弱磁场,使之增强。2011年,德国天文学家绘制了迄今最好的银河系磁场分布图。结果显示,银河系的总磁场强度只有儿个微高斯(1微高斯=10的负6次方高斯),仅为地球表而磁场的十万分之一(地表磁场大约为0.5-0.6高斯)。

  接下来,我们自然要问:作为“发电机效应”的 “种子”磁场,又是从哪儿来的呢?”

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  “种子”磁场来自宇宙之初

  “种子”磁场的由来,或许要追溯到宁宙诞生之初。1988年,美国物理学家威德罗提出,原初磁场可能是在大爆炸后不久形成的。他说,字宙在诞生之初,不仅存在物质密度的涨落,也存在磁场的涨落。虽然整个“婴儿宇宙’中,基本粒子的“小磁针”杂乱无章地排列,因而整个宇宙不显磁性,但不排除在某些地方,有些“小磁针”排列得比较有序,因而局部显出一定的磁性来,此即磁场的涨落。此即“种子”磁场的由来。此后,通过形形色色的“发电机效应”,产生了今天可能弥漫全宇宙的磁场。

  威德罗当时计算得出的“种子”磁场强度为10的负50次方高斯。比天文学家今天测得的微高斯的量级小了好儿十个数量级,——这念味着,“发电机效应”要非常强大,才能把这么一丁点的磁场放大到现有的程度。此外,他在计算机中还引人了一种迄今未被发现的粒子。正是这两点,让他的理论缺乏足够的说服力。

  2013年初,一位意大利物理学家对威德罗的理论做了改进。改进后的理论不需要引入新粒子,而且得到的原初磁场强度要高得多,达到了10的负12次方高斯。这就比较有说服力了。

  如何度过“黑暗期”是个问题

  不过,这个问题并没有一劳永逸地解决。一些天文学家说,就算“种子”磁场产生于宇宙诞生之初,但也可能会在之后的宇宙“黑暗时期”完全被抹掉。

  我们知道,磁场产生于电荷的运动,所以磁场的维持离不开带电粒子。在宇宙诞生的最初38万年,宇宙的温度过高,无法形成原子,只有电子、核子和光子。暴胀形成的“种子”磁场由这锅翻腾的带电粒子来维持是不成问题的。

  随着宇宙膨胀,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电磁波,这就是背景辐射。

  之后,宇宙就进入了黑暗时期,因为在这个时期,恒星没还有形成,没有任何天体会发出光,宇宙漆黑一片。唯一的辐射源就是氢原子,但它发出的电磁波属于不可见的射电波段。

  这一时期,对于宇宙磁场来说,它所面临的主要问题是带电粒子数量的陡降。在黑暗时期,对应于每1万个氢原子,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。

  黑暗时期一直延续到宇宙中第一批光源——第一代恒星——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,将氢原子重新电离,产生自由的质子和电子。这一再电离时期会持续大约10亿年,宇宙那时会再次充斥着有利于放大磁场的电子和质子。

  但是,万一在宇宙的“黑暗时期”,“种子”磁场已经彻底被抹去了,那么即便此后“曙光再现”,也于事无补了。那么,“种子”磁场是如何安然度过那个荒芜时期的?科学家迄今还茫然无绪。

  我们只有等待更多的观测和分析。科学家相信,这个问题至关重要,因为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。

    
    

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