我们测量宇宙膨胀速率（即哈勃常数）的两种主流方法，其得出的结论却存在着难以调和的分歧，这一现代宇宙学中的重大难题被称为哈勃危机。

然而，科学家们开始思考：最初为了解决另一个宇宙谜题——宇宙磁场起源而提出的一种假说，是否也能帮助我们解开哈勃危机的谜团？我们最近发表的研究探讨了，大爆炸后极早期留下的极其微弱的磁场是否能够帮助缓解哈勃危机，同时为人类一窥地球上无法企及的高能物理学提供窗口。

哈勃常数与哈勃危机

天文学家利用哈勃常数来衡量宇宙膨胀的速度，该常数以美国天文学家埃德温·哈勃的名字命名，他当年首次发现了宇宙正在膨胀。

在概念上，测量哈勃常数主要有两种不同的方法。第一种是间接测量法，它基于宇宙学模型的预测，并将其微调以匹配宇宙微波背景辐射（大爆炸的微弱余辉）中的斑图规律。

普朗克空间望远镜等设备对这种古老光线中的微小涨落进行了精确测量，推测出哈勃常数约为每秒每兆秒差距67公里（km/s/Mpc）。秒差距是天文学中的距离单位，约合3.26光年或30.9万亿公里，而兆秒差距则是一百万秒差距。

第二种方法则更加直接，类似于哈勃在20世纪20年代首次展示宇宙膨胀时使用的方法。通过观测遥远星系中超新星爆发的亮度，天文学家可以测量这些遥远星系远离我们所在的银河系的速度。

Ia型超新星被称为“标准烛光”，因为无论它们身处何地，其光度都是恒定的。这意味着我们可以通过它们在我们看来有多暗来判断其距离。为了确定它们的内在亮度，天文学家会利用临近星系中的其他标准烛光，例如造父变星。结合哈勃和詹姆斯·韦布空间望远镜的观测数据，这种直接测量法给出了大约73 km/s/Mpc的较高数值。

这两种测量结果之间的差异被称为哈勃危机。67与73之间的差距看似微小，但在统计学上却具有高度的显著性。如果这两种方法都准确无误，那么我们现有的标准宇宙学模型必然遗漏了某些至关重要的物理机制。

宇宙磁场的起源在哪？

磁场在宇宙中无处不在。行星和恒星能够自行产生磁场，但当我们试图解释那些贯穿星系、星系团甚至是宇宙空洞的更大尺度磁场时，现有的理解便出现了盲区。

长期以来研究的一种可能性是，磁性最初产生于极早期的宇宙，远在第一代恒星或星系形成之前。这种所谓的原初磁场已经研究了数十年，在宇宙微波背景辐射及其他数据中寻找它们的印记，为了解早期宇宙以及产生这些磁场的极端高能事件提供了一种途径。

2011年，本文作者中的卡斯滕（Karsten）和汤姆（Tom）指出，原初磁场会影响复合过程——即电子和质子首次结合形成中性氢、宇宙由不透明转变为透明的阶段。此后能够自由传播的第一批光，正是我们如今观测到的宇宙微波背景辐射。

如果原初磁场存在，它们会通过对带电粒子施加推拉作用来加速复合过程，使物质变得略微成团。在粒子更加密集的区域，它们更有可能相遇并形成氢原子。

推移宇宙变得透明的时间点，会改变宇宙微波背景辐射中观测到的斑图大小。这实际上改变了用于测量距离的“宇宙标尺”，进而改变了模型推导出的哈勃常数值，从而有助于缓解哈勃危机。卡斯滕与列沃恩（Levon）在2020年利用简化的复合模型验证了这一效应。

突破性发现

在我们发表的新论文中，我们首次对嵌入磁场的原初等离子体进行了完整的三维模拟，追踪了氢原子的形成历史。

我们利用这些模拟得出的氢形成历史，计算了若存在原初磁场时宇宙微波背景辐射应呈现的预测图景，并针对背景观测数据对这些预测进行了检验。

宇宙微波背景辐射对复合过程的变化极为敏感。如果原初磁场对其产生的影响与观测结果相悖，这一假说就会被排除。然而，数据表明我们的提议依然完全可行。

通过多组数据集的组合分析，我们发现数据对原初磁场表现出了一致的、温和的偏好，显著性在1.5到3个标准差之间。这虽然还算不上是一项确凿的发现，但却是一个意味深长的存在暗示。

同样重要的是，数据所支持的磁场强度（当前约为5到10皮高斯）十分接近星系及星系团磁场仅由原初种子演化而来所需的理论强度。皮高斯是用于衡量磁场强度的单位。

除了有助于缓解哈勃危机之外，如果原初磁场最终被证实，它们将为人们打开一扇了解宇宙仅诞生几分之一秒时的全新窗口，或许还能让我们一窥大爆炸等重大事件的奥秘。

我们的研究结果表明，这一理论经受住了当今最详细的检验，并为未来的观测指明了清晰的方向。在接下来的几年里，我们将进一步揭晓来自宇宙黎明的微小磁场是否塑造了我们今天所见的宇宙，以及它们是否掌握着破解哈勃危机的关键钥匙。