已知宇宙中存在微弱且高度均匀、可延伸至星系际尺度的磁场，并会影响多种宇宙学过程，但其起源机制长期未获充分解释。麦吉尔大学与苏黎世联邦理工学院研究团队近日在《物理评论快报》发表论文，提出一种可能的生成路径：由极低质量、与普通物质相互作用极弱的粒子构成的“超轻暗物质”——即伪标量轴子场——或可通过与电磁场的耦合触发磁场增长。

论文合著者、麦吉尔大学的罗伯特·布兰登伯格（Robert Brandenberger）与苏黎世联邦理工学院的尤尔格·弗洛利希（Jürg Fröhlich）在接受Phys.org采访时表示，关于宇宙中均匀弱磁场的观测证据早已积累，但其来源一直成谜；他们的新工作建立在1997年、2000年和2012年相关研究提出的思路之上。

研究团队将讨论重点放在布兰登伯格长期研究的“参数共振”现象上。这类现象最初在经典力学中被识别，核心特征是与振荡源耦合的场可出现指数式增长。作者指出，近年来学界对源自伪标量场的超轻暗物质兴趣上升，这类暗物质常被称为轴子（axion），其在空间中可相干振荡并与电磁场发生耦合，因此在理论上可能成为电磁场增长的驱动因素。

在论文中，布兰登伯格、弗洛利希及合作者焦昊进一步给出一种“伪快子共振”通道：振荡的轴子场可放大电磁场的长波长模态，从而在星系际尺度产生微弱且高度均匀的磁场。作者称，对该效应进行数量级估算后，可论证其强度有望与现有观测相符。

研究还试图在不依赖对宇宙极早期“高度未知新物理”的前提下，解释宇宙磁场的产生。为此，作者将过程设定在宇宙再组合之后——约大爆炸后38万年，宇宙冷却到电子与原子核结合形成中性原子的阶段。论文指出，理论上再组合后光与物质不再紧密耦合，磁场也因此具备长期存续的条件。

在具体建模上，作者采用轴子电动力学中常见的相互作用项，将伪标量轴子场与电磁场耦合，并展示该耦合可引发电磁场的伪快子不稳定性，推动磁场快速增长并延续至今。研究团队同时强调，暗物质存在的证据来自多种天文探测，但其组成仍不明确；论文采用的前提是暗物质为“超轻”轴子场，并在再组合时期已在宇宙中相干振荡，叠加有与结构形成相关的小幅扰动，作者称这属于较为标准的设定。

研究团队还将其理论结果与既有观测与早期提案进行对照，并指出在其工作之前，学界普遍认为在宇宙尺度（大于星系团尺度）且能存续至今的磁场不太可能在“晚期”产生；这里的“晚期”指再组合之后、宇宙微波背景辐射形成的时期。作者认为，其机制对“必须诉诸宇宙早期（如暴胀阶段）新物理”的常见假设提出了挑战。

不过，作者也表示该机制仍有关键细节需要进一步厘清。例如，需要研究由该机制生成的磁场对暗物质的反作用，并量化暗物质初始能量密度中有多少比例会转化为电磁能量密度。论文当前主要关注再组合之后的场演化，并在该阶段将等离子体效应（宇宙电导率）视为足够小而可忽略；而再组合之前磁场生成的情形由于等离子体效应重要，仍需更深入研究。作者称，相关问题及机制细节可能需要通过数值模拟进一步检验。

此外，研究团队提到一条延伸方向：将再组合后电磁辐射生成机制用于理解超大质量黑洞的形成。布兰登伯格指出，宇宙学中的一个重要未解问题是高红移处大量黑洞候选体的起源；若物质要塌缩形成黑洞种子，需要避免碎裂。在后续论文中，布兰登伯格与焦昊论证该机制或可提供足够的赖曼-韦纳（Lyman–Werner）光子通量以抑制碎裂，而这一效应依赖能量向更短波长的级联过程，仍有待进一步研究。