Главным космическим творцом можно, без сомнения, назвать силу тяжести. Та же самая сила, что удерживает нас на Земле, оказывает непосредственное влияние на формирование Вселенной.
Она превращает облака газа в планеты и звезды. Она объединяет миллиарды светил в галактики, которые затем собирает в кластеры и суперкластеры. И все же гравитация – не единственный игрок в этой игре. Еще одной силой, формирующей космический ландшафт, является магнетизм.
Магнитные поля распространяются на огромные расстояния в вакууме глубокого космоса. Они преодолевают миллиарды световых лет между галактиками. Однако сила их воздействия очень мала. Магнит, висящий у вас на холодильнике, имеет в миллион раз более сильное поле, чем то, что пронизывает Млечный Путь. Вот почему космологи так долго игнорировали магнетизм. В самом деле, как может нечто настолько слабое оказывать какой-либо эффект на целую галактику?
Однако со временем взгляды ученых изменились. Действительно, гравитация удерживает вещи вместе, но, как выясняется, ключевые космические процессы – от формирования звезд до испускания высокоэнергичных струй черными дырами – невозможны без магнетизма. «Многие загадки астрономии легко разрешаются, если принять во внимание межзвездные магнитные поля», – говорит Брайан Гэнслер из Сиднейского университета (Австралия).
Справедливо ли то же самое для Вселенной в целом? Поля галактического масштаба интересны, в первую очередь, тем, что они представляют собой отголоски процессов, происходивших сразу после Большого взрыва. Кроме того, большая часть видимой материи Вселенной состоит из заряженных частиц, движение которых подчиняется магнетизму так же, как и гравитации. Таким образом, можно предположить, что магнитные поля играли важную роль в формировании нашего мира с самого момента его зарождения.
Однако для того чтобы говорит об этом с уверенностью, мы должны ответить на вопрос: откуда они взялись и когда именно?
В 1835 году немецкий физик Карл Фридрих Гаусс впервые измерил земное магнитное поле при помощи обычного магнита, подвешенного на нитке. Сегодня мы уже имеем представление о том, как Солнце и Земля генерируют свои поля. Когда расплавленное железо внешнего земного ядра (в случае Солнца – плазма) движется поперек силовых линий, возникают электрические токи. Они, в свою очередь, тоже создают поле, которое накладывается на существующее и усиливает его.
Благодаря такому динамо-эффекту из маленького «зернышка» вырастает огромный магнитный «щит» нашей планеты, защищающий нас от смертоносных космических частиц, которые могли бы разрушить озоновый слой и обречь нас на гибель под жесткими ультрафиолетовыми лучами. Солнечное поле тоже охраняет нас, уводя от нас в сторону еще более опасные частицы, летящие из глубин космоса.
Однако для многих стал полной неожиданностью тот факт, что межзвездное пространство тоже намагничено. Первое доказательство тому было получено в 1949 году, когда американские астрономы Джон Холл и Уильям Хилтнеробнаружили, что «нечто» поляризует солнечный свет на его пути к нам. Этим «нечто» оказалось космическое магнитное поле, в котором частички пыли вели себя как маленькие стрелки компаса. Это было великое открытие, отмечает Гэнслер.
С тех пор было разработано множество методов, позволяющих измерить магнетизм различных областей космоса. В 2011 году Нильс Опперманн и его коллеги из Института астрофизики Макса Планка в Гархинге составили самую лучшую на сегодняшний день карту магнитного поля Млечного Пути. На ней видно, что его силовые линии повторяют спиральную форму нашей Галактики. По наблюдениям ученых, средняя величина его составляет несколько микрогауссов (10-6 гауссов) – примерно в 100000 меньше, чем у поверхности Земли.
Астрономы утверждают, что магнитные поля в спиральных галактиках вроде нашей усиливаются за счет динамо-эффекта. При вращении галактического диска заряженные частицы пересекают силовые линии существующего поля, отчего оно увеличивается. «Мы полагаем, что изначально магнетизм любой галактики был очень слабым», – говорит Ларри Уидроу, астрофизик из Королевского университета в Кингстоне (Канада). Но если так, то откуда же взялось первичное поле, давшее начало более сильному?
Самое первое поле
Над решением этой загадки ученые бились несколько десятилетий, но у них не было инструментов, которые обладали бы достаточной чувствительностью для проверки их теорий.
А теории, тем временем, множились. Согласно одной из них, магнитные поля зародились внутри самых первых звезд и разнеслись по космическому пространству звездным ветром и вспышками сверхновых.
По другой версии, они были сгенерированы где-то через 100 миллионов лет после Большого взрыва внутри черных дыр, находившихся в центрах первых галактик, а в межгалактической среде они распространились благодаря выбросам мощных релятивистских струй – джетов.
Возможно также, что космический магнетизм был порожден плазменными колебаниями в молодых галактиках. Турбулентные потоки межзвездного газа и пыли усиливают первоначальное слабое поле, увеличивая его вдвое за время, примерно равное периоду вращения звезды или центра черной дыры. Такие временные промежутки незначительны, если сравнивать с возрастом Вселенной, так что маленькие поля могут быстро набирать внушительную силу.
Проблема в том, что ранние галактики, свет от которых идет к нам из глубины веков, должны были обладать намного меньшим магнетизмом, чем соседние с нами. Тем не менее, астрономы находят все больше доказательств тому, что и они имели поля величиной в несколько микрогауссов. Выходит, либо динамо-эффект намного сильнее, чем мы думаем, либо космический магнетизм зародился практически одновременно с нашей Вселенной.
Неспокойные времена
Именно такой сценарий предложили в 1988 году Уидроу и его коллега Майкл Тернер из Чикагского университета. Они предположили, что первичные магнитные поля были созданы в первые же мгновения после Большого взрыва и усилены в процессе инфляции, когда космос расширялся со сверхсветовой скоростью.
Крупные галактические структуры, которые мы наблюдаем сегодня, были сформированы в результате квантовых флуктуаций энергии, имевших место в тот период. Уидроу и Тернер пришли к выводу, что инфляция могла также усилить колебания электромагнитного поля таким образом, что вся Вселенная получила дозу магнетизма.
Для обоснования своей концепции ученым пришлось внести изменения в знаменитые уравнения Джеймса Кларка Максвелла, описывающие электрические и магнитные поля, и ввести экзотическую частицу под названием «аксион». «Теория была довольно сырой, и многие ее аспекты вызывали нарекания со стороны специалистов по физике частиц», – признает Уидроу.
По расчетам исследователей, величина первичного поля должна была составлять всего 10-50 Гс. То есть, для достижения того уровня магнетизма, который мы наблюдаем сегодня, требовался очень мощный динамо-эффект.
Тем не менее, идеи Уидроу и Тернера явились «отправным пунктом» для других ученых. «Они были первыми, кто предположил, что магнитные поля были созданы в процессе инфляции, – говорит Доминик Шлейхер из Геттингенского университета (Германия). – Это задало направление для наших дальнейших исследований».
В начале нынешнего года физик Леонардо Кампанелли из Барийского университета (Италия) выдвинул свою версию того, как квантовые колебания могли породить первичный магнетизм. Вместо того чтобы обратиться к нестандартной физике, ученый применил математический прием под названием «ренормализация», которым уже давно пользуются специалисты по теории частиц для избавления от бесконечных величин, делающих их уравнения бесполезными. «До этого никто не пытался решить задачу таким способом», – отмечает Кампанелли.
В итоге исследователь вывел другую величину первичного поля – 10-12 Гс, что все равно меньше 10-6 Гс, однако уже намного ближе к современному значению.
Уидроу высоко оценивает работу Кампанелли. «Если его расчеты верны, крупномасштабные магнитные поля предстают вполне естественным и ожидаемым результатом космической инфляции, а не каким-то феноменом, требующим весьма спорных поправок к физическим законам», – говорит он.
В то же время, другие ученые указывают на несовершенство любой теории, в которой вселенский магнетизм зарождается непосредственно после Большого взрыва. Все дело в том, что он должен был практически исчезнуть в эпоху, которую космологи называют «Темными веками».
В течение первых 378 000 лет своего существования Вселенная была настолько горячей, что в ней не было атомов, а были только их ядра, электроны и фотоны. Этот «кипящий котел» электрических зарядов являлся идеальным местом для сотворения более сильного магнитного поля из того, которое имелось по окончании процесса инфляции.
В какой-то момент продолжающая расширяться Вселенная остыла настолько, что протоны смогли захватить электроны и превратились в нейтральные атомы водорода. При объединении частиц космическое пространство заполнилось излучением, известным как «космический микроволновый фон» (КМФ).
Затем наступили Темные века, названные так потому, что ничто в то время не испускало свет. Единственным источником лучистой энергии был водород, излучавший радиоволны длиной 21 сантиметр.
Число заряженных частиц резко сократилось. На 10 000 готовых атомов тогда приходилось по одному свободному электрону или протону. А так как существование магнитных полей зависит от движения зарядов, некоторые исследователи полагают, что «зерно» магнетизма на этом этапе должно было погибнуть.
Темные века продолжались до тех пор, пока не появились первые источники света – звезды и галактики. Они испускали огромное количество лучистой энергии, которая снова отрывала электроны от атомов водорода. Данный период реионизации длился примерно 1 миллиард лет. Вселенная вновь наводнилась дружественными магнитному полю свободными зарядами.
Пока мы знаем крайне мало о том, что именно происходило с магнетизмом в те неспокойные времена. Однако теперь, после десятков лет поисков, мы подошли вплотную к ответам на некоторые вопросы.
Сопоставляя данные наблюдений нескольких телескопов, вглядывающихся глубоко в космическую историю, исследователи наконец-то смогут проследить эволюцию магнитного поля и создать модели его возникновения.
По словам астронома Ричарда Дэвиса из Манчестерского университета (Великобритания), важные сведения мы получим уже в течение года со спутника «Планк», исследующего КМФ.
Если магнитные поля действительно существовали, когда Вселенной было 387000 лет от роду, они должны были оставить свой «отпечаток» на микроволновом фоне.
Объединяя силы
К работе также подключен радиотелескоп LOFAR, антенны которого располагаются на территории пяти европейских стран, а также установки ASKAP и MWA, размещенные в Австралии. Все они настроены на поиск синхротронного радиоизлучения – радиоволн, которые испускаются высокоэнергичными электронами, движущимися по спирали вокруг силовых линий поля.
LOFAR специально предназначен для улавливания длинных волн, так что он сможет исследовать области со слабым магнетизмом – в частности, межгалактическое пространство – и, возможно, даст нам ответ на вопрос, как далеко магнитные поля простираются от дисков галактик. Кроме того, он изучит поля тех галактик, которые появились еще на начальных этапах формирования Вселенной.
Гэнслер, один из руководителей проекта ASKAP, уверен, что очень скоро мы узнаем, какая из множества предложенных теорий является верной. «Ответ мы получим в течение двух лет», – обещает он.
Если окажется, что в протогалактиках существовали сильные магнитные поля, это будет означать, что магнетизм был порожден ударными волнами или флуктуациями плазмы, говоритРейнер Бек из Радиоастрономического института Макса Планка в Бонне (Германия). Если же первые поля будут обнаружены вблизи галактических ядер, можно будет предположить, что их источником были первобытные звезды или динамо-эффект, создаваемый ранними галактиками.
Кроме того, к запуску готовится еще более мощная система наблюдения – гигантский радиотелескоп SKA со станциями в Австралии и Южной Америке. Этот комплекс из тысяч антенн будет обладать в 10 раз большей чувствительностью по сравнению с существующими ныне установками.
Его введение в работу запланировано на начало 2020-х годов. Он исследует эпоху реионизации и попытается идентифицировать первые объекты, сформировавшиеся во Вселенной, и, конечно, первичные магнитные поля. «С помощью SKA мы сможем измерить интенсивность и поляризацию радиоволн с беспрецедентной точностью», – отмечает Итан Вишняк, астрофизик из Саскачеванского университета в Саскатуне (Канада).
Если SKA покажет, что сильные поля существовали вокруг ранних космических объектов, это будет означать, что они предшествовали зарождению галактик и могли оказать влияние на их эволюцию, говорит Бек. В таком случае нам снова понадобится помощь «Планка» или подобных ему аппаратов следующего поколения.
Проанализировав данные со всех спутников и телескопов, мы сможем в течение ближайших десяти лет обновить наши карты космоса. «В большинстве цифровых моделей, имитирующих динамику газа в процессе космологической эволюции, не учитываются магнитные поля, – говорит Ави Леб, астроном из Гарвардского университета. – На следующем этапе мы введем их наряду с космическими лучами и попробуем выяснить, какой эффект они оказывают на галактики».
Поняв, как невидимые руки гравитации и магнетизма управляют космосом, мы узнаем о том, как на самом деле работает наша Вселенная.
Немає коментарів:
Дописати коментар
Примітка: лише член цього блогу може опублікувати коментар.