Магнетизм Большого взрыва: удастся ли с его помощью разрешить кризис в космологии?
Магнитные поля и разрешение Хаббловского напряжения
Допустим, у вас есть два инструмента и вам нужно измерить длину одного и того же стола. Сначала, вооружившись лазерным дальномером и измерив стол, вы уверенно называет цифру — ровно 2 метра. Затем, используя старинную, но проверенную линейку и собственноручно промерив каждый сантиметр, вы получаете результат 2 метра и 18 сантиметров. Разница в 18 сантиметров кажется абсурдной, но именно в такой ситуации вот уже долгое время находится астрофизика. Только вместо стола — вся наша Вселенная, а вместо сантиметров — десятки километров в секунду на мегапарсек. Это противоречие, известное как «Хаббловское напряжение», стало настоящим камнем преткновения для современной космологии, заставляя ученых подозревать, что их идеальная теоретическая модель мироздания упускает из виду нечто фундаментальное.
Суть конфликта проста и мучительна одновременно. Один способ измерения скорости расширения Вселенной (постоянной Хаббла) смотрит на «детство» космоса — на реликтовое излучение, оставшееся после Большого взрыва. Изучая его микроволновое свечение с помощью телескопа «Планк», космологи получают значение около 67 км/с/Мпк (километров в секунду на мегапарсек).
Второй способ наблюдает за «взрослой» Вселенной, за сверхновыми звездами в далеких галактиках, используя их как стандартные свечи. Наблюдения телескопов «Хаббла» и «Джеймса Уэбба» здесь дают цифру 73 км/с/Мпк. Вселенная, получается, расширяется быстрее в наши дни, чем должна была бы, исходя из ее ранних параметров. Либо наши измерения ошибочны, либо в космологической модели, которая блестяще объясняет почти все, зияет огромная брешь.
В поисках выхода из этого тупика группа исследователей обратила внимание на фантом — на нечто, что невозможно потрогать, но что пронизывает собой все сущее. Они задались вопросом: а что, если ключ к разгадке таится в магнитных полях?
Магнетизм Вселенной — загадка не менее древняя, чем ее расширение. Если происхождение поля у магнита или даже у Земли более или менее понятно, то откуда берутся колоссальные, протяженные на миллионы световых лет магнитные поля у галактик и их скоплений? Одна из гипотез гласит, что это — «первичные» поля, слабые эхо, сохранившиеся с первых мгновений после Большого взрыва. Представьте себе первичную плазму — кипящий суп из заряженных частиц, электронов и протонов. В момент, который космологи называют рекомбинацией, этот суп должен был остыть настолько, чтобы частицы смогли объединиться в нейтральные атомы водорода, сделав Вселенную прозрачной. Именно в этот момент родился тот самый свет реликтового излучения, который астрономы изучают сегодня.
Гипотеза исследователей заключалась в том, что если слабые, призрачные магнитные поля действительно существовали в ту эпоху, они должны были слегка «шевелить» заряженные частицы, создавая в плазме крошечные сгустки и разрежения. Там, где частиц становится чуть больше, они с гораздо большей вероятностью встречаются и рекомбинируют. Проще говоря, наличие даже ничтожно малого магнитного поля должно было немного ускорить процесс превращения непрозрачной плазмы в прозрачный газ. А это, в свою очередь, изменило бы размер «звуковых волн», отпечатанных на реликтовом фоне, — тех самых космических линеек, которыми «Планк» мерит расстояние.
Используя первые в своем роде сложнейшие трехмерные компьютерные модели, ученым удалось воссоздать этот процесс. Они встроили в виртуальную первичную плазму гипотетические магнитные поля и проследили, как именно и с какой скоростью в ней образовывался водород. Полученная картина истории рекомбинации была затем использована для расчета того, как должен выглядеть космический микроволновый фон сегодня.
Результат оказался интригующим. Выяснилось, что эта гипотеза вовсе не противоречит имеющимся наблюдениям. Реликтовое излучение, измеренное с невероятной точностью, не отвергает существование первичного магнетизма. Более того, при сопоставлении модели с реальными данными проявилась слабая, но устойчивая статистическая тенденция: данные словно бы «предпочитают» наличие таких полей. Уровень значимости этого предпочтения колеблется в районе полутора-трех стандартных отклонений — это еще не сенсационное открытие, но уже весьма серьезный намек, требующий самого пристального внимания.
Самое же главное, что расчетная напряженность этих гипотетических полей (сегодня она составила бы около 5-10 пикогаусс — величина, которую наш мозг вряд ли способен осознать) как раз такова, чтобы из этих первичных «зародышей» впоследствии, через механизмы динамо, выросли те самые мощные магнитные поля, которые мы наблюдаем сегодня в галактиках и скоплениях.
Таким образом, старая идея, призванная объяснить происхождение галактического магнетизма, неожиданно предложила элегантный выход из кризиса в космологии. Если рекомбинация пошла быстрее из-за магнитных полей, то «космическая линейка», которой пользовался телескоп «Планк», оказалась бы чуть иной. Соответственно, и вычисленное по ней значение постоянной Хаббла (те самые 67 км/с/Мпк) могло бы немного «потяжелеть», приблизившись к значению, полученному по сверхновым, и смягчив тем самым противоречие.
Конечно, это лишь первый шаг. Полученные результаты — не доказательство, а обещание. Они говорят о том, что гипотеза о первичных магнитных полях выдержала самую сложную проверку из возможных на сегодняшний день. Теперь слово за будущими наблюдениями и более точными данными. В ближайшие годы астрофизикам предстоит выяснить, действительно ли едва уловимый магнетизм, родившийся на заре времен, стал тем самым скрытым фактором, чью действие «подправили» ход эволюции Вселенной.
Если это подтвердится, мы не только решим одну из главных головоломок современности, но и получим уникальный инструмент для изучения физики чудовищных энергий, царивших в первые мгновения после Большого взрыва, — окно в мир, который мы никогда не сможем воссоздать в земных лабораториях.