引言
在广袤无垠的宇宙中，有一种无形的力量隐藏在每个角落——磁场。它们无处不在，从恒星到大尺度宇宙结构的空洞之间。它们差异巨大，从高达1015高斯（G）的磁星磁场到微弱得几乎无法检测的的星系际磁场。这些磁场在它们在宇宙的形成与演化中扮演着必不可少的角色。
目前我们观测到的星系团内磁场强度通常在微高斯（μG）量级。一种解释这种现象的理论是"发电机效应"（Dynamo Effect）。这一理论认为等离子体的湍动产生了电流，从而放大了原有的磁场，并导致现在观测到的星系团内磁场强度。不过，这个理论有一个至关重要的先决条件：必须有一个非零的"种子磁场"来开始这一切。
那么，这个种子磁场从何而来？这至今仍是天文学中的一个未解之谜。关于这个问题，目前主要有两大类理论模型。一种观点认为这些微弱的种子磁场可能是产生于宇宙早期的原初磁场，在大爆炸或其它他早期宇宙的基本物理过程中形成。另一种观点则认为，种子磁场是在宇宙结构形成所伴随的引力塌缩的漫长过程中产生的1。反过来说，星系际介质或者宇宙大尺度结构的空洞是我们研究种子磁场的理想场所，因为这些地方尚未受到复杂的等离子体和磁流体动力学过程的影响。因此，所以探测或者间接探测星系际磁场将是解开种子磁场谜团的一把"钥匙"。
图一：高能伽马光子在宇宙中传播的示意图。红色线代表初始TeV光子的运动轨迹。蓝色线代表级联辐射的运动轨迹，其中EBL处代表高能光子与河外背景光子场（EBL）相作用产生正负电子对，IC处代表高能电子与宇宙微波背景辐射（CMB）光子作用产生逆康普顿散射（IC）。
星系际磁场的精确测量目前面临着不少挑战，而但高能天体物理提供了一个种独特的窗口来揭示这些微弱但极其重要的磁场。一些特殊的高能天体源，如耀变体和伽马暴，发出的光子能量可以达到TeV（万亿电子伏特）量级，为我们提供了研究这些磁场的极佳机会。由于这些天体都相当遥远，他们发出的光子在到达我们之前需要穿越Gpc（十亿光年）量级的距离。这些高能光子在穿越星系际介质的过程中时，会受到河外背景光子场（EBL）的吸收，也就是伽马-伽马吸收，继而转化为正负电子对。这些新产生的电子对仍然保持着高能量状态，它们会进一步通过逆康普顿散射，将低能的宇宙微波背景辐射光子散射到GeV（十亿电子伏特）量级的能量。在这整个过程中，不可忽视的是存在于星系际介质中的磁场会对这些电子-正电子对施加影响，导致其偏离原始传播方向。因此从示意图上，我们就可以发现，这些次级粒子相较于原初光子，在达到观测者时会有一个角度偏转，同时更长的路程也带来了时间上的延迟。于是利用GeV辐射的这两个观测特征，我们就可以反推星系际磁场的强度等特征2，3。
自从这个方法被提出以来，耀变体成为了磁场大小限制的主要研究对象。最近，MAGIC4和HESS5两个研究小组分别使用他们的望远镜观测到的耀变体的TeV数据联合Fermi-LAT观测所得的GeV数据，来限制星系际磁场的强度，其结果分别是 ≥ 1.8 x 10-17高斯和 ≥ 7.1 x 10-16 高斯。然而，由于耀变体活跃周期(duty cycle)和能谱的不确定性，使得给这些结果带来了有一定的系统误差。
然而，相较于耀变体，伽马射线暴（GRBs）作为一类暂现源，提供了一种更"干净"的途径来研究星系际磁场。伽马暴的TeV辐射衰减有规律性，且没有耀变体那样的持续GeV辐射的干扰。但是，在第一个TeV伽马暴GRB 190114C的研究中6，由于其TeV辐射不够强，所得到的其对星系际磁场的限制结果仍存在争议。幸运的是，2022年我们观测到了千年一遇的最强伽马暴GRB 221009A。特别是，LHAASO观测到了超过6万个能量高于200GeV的光子，其中最高的光子能量超过10TeV7。这一丰富的TeV数据为我们提供了一次千载难逢的机会去限制星系际磁场。
利用这个最强伽马暴的机会，南京大学天文与空间科学学院博士研究生黄羿云和合作者考虑了次级辐射具有时延的特征，模拟了不同时间、不同星系际磁场情况下，GRB 221009A的TeV光子产生的级联辐射，并与实际观测的GeV数据相比较来得到磁场信息。这种方法在观测到次级辐射的情况下，次级辐射的能谱形状将直接反映磁场的强度。即使本次事件并没有直接探测到次级辐射，我们仍然可以通过比较流量上限和模拟结果来限制磁场的范围（详见图二）。
更强的星系际磁场会导致更大的电子偏转，进而推迟次级辐射到达的时间，同时更高能量的初级光子由于自由程短，所产生的次级光子会比低能初始光子所产生的次级光子更早到达。因此能谱的峰值会随时间的增加逐渐向低能段移动，并随磁场的增强向高能段移动（见图二）。选择合适的时标让峰值能量落在Ferimi-LAT探测更灵敏的能段内将会得到更好的限制。
综合以上因素，研究团队对多个时间段的观测数据进行了分析，并将其与模拟结果进行了比较。结果表明，只有当磁场 ≥ 1 x 10-18.5高斯时，级联辐射的强度才不会高于GeV辐射的观测流量，从而得到了对星系际磁场强度的下限。由于在计算中考虑了EBL模型的不确定性，此研究通过其中最低的级联辐射情况得到了对星系际磁场最保守的限制。这是第一次明确地使用伽马射线暴的级联辐射得到了星系际磁场的限制，提供了耀变体之外的一种新的、独立的限制手段。
图二：基于蒙特卡洛模拟的预期级联辐射结果，分析了暴后3天、30天和8个月的情况。虚线表示不同磁场条件下预计的能谱，而不同颜色的误差带则考虑了EBL模型的影响。黑色数据点代表Fermi-LAT的实际观测数据。
研究成果以《Constraints on the Intergalactic Magnetic Field Strength from γ-Ray Observations of GRB 221009A》为题8，南京大学天文与空间科学学院研究生黄羿云为论文的第一作者，研究生戴粹远为论文第二作者，张海明助理研究员，柳若愚副教授，王祥玉教授为论文的通讯作者。此论文已于2023年9月19日在美国《天体物理学快报》上发表。本项工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划以及江苏省自然科学基金的资助。
参考文献：
1. Durrer, R., & Neronov, A. 2013, A&A Rv, 21, 62, doi: 10.1007/s00159-013-0062-7
2. Plaga, R. 1995, Nature, 374, 430, doi: 10.1038/374430a0
3. Dai, Z. G., & Lu, T. 2002, ApJ, 580, 1013, doi: 10.1086/343848
4. MAGIC Collaboration, Acciari V. A., Agudo I. et al. 2023 A&A 670 A145 doi: 10.1051/0004-6361/202244126
5. Aharonian, F., Aschersleben, J., Backes, M., et al. 2023, ApJL, 950, L16. doi:10.3847/2041-8213/acd777
6. Wang, Z.-R., Xi, S.-Q., Liu, R.-Y., Xue, R., & Wang, X.-Y. 2020, PhRvD, 101, 083004, 406, doi: 10.1103/PhysRevD.101.083004
7. LHAASO Collaboration. 2023, Science, 380, 1390, doi: 10.1126/science.adg9328
8. Huang, Y.-Y., Dai, C.-Y., Zhang, H.-M., et al. 2023, ApJL, 955, L10. doi:10.3847/2041-8213/acf66a