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科学家们正努力解决宇宙膨胀速度看似存在的持续不一致问题，这一问题被称为哈勃张力。新研究探讨了宇宙早期的微弱磁场是否会微妙地改变关键的宇宙信号，从而帮助调和这些相互矛盾的测量结果。图片来源：Shutterstock

原始磁场或许有助于解释为何对宇宙膨胀的测量结果存在分歧。

科学家们早就知道宇宙在膨胀，但对于膨胀的速度仍未达成一致。

两种用于计算宇宙膨胀率（即哈勃常数）的主要方法持续得出不一致的结果。这种差异已成为宇宙学中最持久的挑战之一，被广泛称为哈勃张力。

不过，我们想知道，一个最初为解决另一个宇宙谜团——宇宙磁场的起源——而提出的想法，是否能帮助我们解开哈勃张力之谜。

我们最近的研究探究了一种可能性，即宇宙大爆炸后最初时刻形成的极微弱磁场可能会影响宇宙膨胀的测量结果。如果是这样的话，它们可能有助于弄清哈勃张力的来源，同时也为了解能量远超出地球实验室所能重现范围的物理过程提供了一个难得的窗口。

哈勃太空望远镜拍摄的阿贝尔209星系团图像，该星系团是一个巨大的时空扭曲星系团，位于鲸鱼座，距离地球28亿光年。图片来源：NASA

哈勃常数与张力

天文学家依靠哈勃常数来量化宇宙的膨胀速率。这个术语是为了纪念美国天文学家埃德温哈勃，他首次证明了星系彼此远离，揭示了宇宙本身并非静止而是在膨胀。

测量哈勃常数有两种概念上不同的方法。一种是间接方法，基于我们的宇宙学模型的预测，该模型经过调整以匹配宇宙微波背景（即大爆炸的微弱余辉）中的模式。

像普朗克太空望远镜这类望远镜测量了这种古老光线中的微小波动，得出的哈勃常数约为67千米每秒每兆秒差距（kmsMpc）。秒差距是天文学中使用的距离单位，约等于3.26光年或30.9万亿千米。兆秒差距则是一百万秒差距。

第二种方法更直接，类似哈勃首次证明宇宙膨胀时所使用的方法。

一篇关于天文学家如何测量宇宙距离的说明文章

美国国家航空航天局的罗曼任务将利用爆炸恒星来测量宇宙距离

它通过观测遥远星系中超新星爆发的亮度，来测量遥远星系远离我们的银河系的速度。

Ia型超新星被称为标准烛光，因为我们知道它们的光度在任何地方都是相同的。这意味着我们可以根据它们在我们看来有多暗来判断它们的距离。

为了确定它们的本征亮度，天文学家会使用附近星系中的其他标准烛光，例如造父变星。这些使用哈勃和詹姆斯韦布空间望远镜进行的观测得出了一个更高的数值，约为73千米秒百万秒差距。

两种测量结果之间的这种差异被称为哈勃张力。67和73之间的差异看似微小，但在统计学上具有高度显著性。如果两种方法都正确，那么我们的宇宙学标准模型一定遗漏了某些重要的东西。

宇宙磁场是从哪里来的？

宇宙中到处都存在磁场。行星和恒星会产生自身的磁场，但当我们试图解释贯穿星系、星系团甚至可能是宇宙空洞的更大尺度磁场时，我们的理解就会出现空白。

一个长期研究的可能性是，磁性最早出现在宇宙的极早期，远早于第一批恒星或星系形成之前。这些所谓的原初磁场已经被研究了数十年，而在宇宙微波背景和其他数据中寻找它们的印记，为探索早期宇宙以及产生这些磁场的极端能量提供了一种方法。

我们中的两位（Karsten和Tom）曾指出，原初磁场会影响复合过程——即电子与质子首次结合形成中性氢的过程——以及宇宙从不透明转变为透明的过程。从那一刻起能够自由传播的第一缕光，就是我们如今观测到的宇宙微波背景。

如果存在原初磁场，它会通过对带电粒子施加推拉作用来加速复合，使物质略微结块。在粒子更密集的地方，它们更可能相遇并形成氢。

改变宇宙变得透明的时刻会改变宇宙微波背景中观测到的模式的大小。这会有效改变用于测量距离的宇宙标尺，进而改变从模型中推断出的哈勃常数的值，有助于缓解哈勃张力。其中两位研究者（Karsten和Levon）此前曾利用简化的复合模型证明了这一效应。

一项突破：我们的发现

在我们的新论文中，我们首次使用了嵌入磁场的原始等离子体的完整三维模拟，追踪氢的形成过程。

我们利用通过这些模拟得到的氢形成历史，计算了如果存在原初磁场时宇宙微波背景应有的外观预测，并将这些预测与背景观测结果进行了对比。

宇宙微波背景对复合过程的变化异常敏感。如果原初磁场以与观测结果不符的方式改变了它，这一想法可能会被排除。相反，数据表明我们的提议仍然可行。

在多种数据集组合中，我们发现（结果）一致且轻微倾向于存在原初磁场，其置信度范围约为1.5到3个标准差。这尚未构成一项发现，但却是它们存在的一个有意义的提示。

同样重要的是，数据所支持的场强（如今约为5到10皮高斯），与仅由原初种子产生星系和星系团磁场所需的场强接近。皮高斯是一种用于测量磁场强度的单位。

除了有助于缓解哈勃张力外，如果原初磁场得到证实，它们将为了解宇宙在仅诞生几分之一秒时的状态打开一扇新窗口，或许能让我们得以一窥诸如大爆炸本身这样的重要事件。

我们的研究结果表明，该提议经受住了当今最详尽的测试，并为未来的观测提供了明确的目标。在未来几年里，我们将了解早期宇宙的微小磁场是否帮助塑造了我们今天所看到的宇宙，以及它们是否是解决哈勃张力的关键。

改编自最初发表于《对话》的一篇文章。

BY: Levon Pogosian, Simon Fraser University, Karsten Jedamzik, Université de Montpellier, and Tom Abel, Stanford University

FY: AI

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