Užmirštoji jėga

Kai kalbama apie kosmosą, didysis potraukis yra gravitacija. Ta pati mūsų pėdas ant žemės laikanti jėga formuoja visatą. Iš dujų debesų ji kuria planetas ir žvaigždes. Iš šimtų milijardų žvaigždžių sulipdo galaktikas, susiburiančias į spiečius ir superspiečius. Tačiau gravitacija nėra vienintelis žaidėjas – kosminiame peizaže veikia ir kita jėga, ir tai yra magnetizmas.

Magnetiniai laukai driekiasi per didžiulius beveik tuščios erdvės tyrus, nusitęsiančius netgi milijardus šviesmečių tarp galaktikų. Žinoma, tie laukai silpnučiai. Šaldytuvo magnetas daugiau, nei milijoną kartų stipresnis už viską persmelkiančią silpno magnetizmo jūrą Paukščių Take ir už jo ribų. Tai gali paaiškinti, kodėl kosmologija magnetizmą iš esmės ignoravo. Juk galiausiai, kaip kažkas tokio nežymaus galėtų daryti įtaką galaktikai?

Tačiau laikai ir nuomonės keičiasi. Taip, gravitacija laiko viską drauge, bet pagrindiniams fiziniams visatos procesams reikia magnetizmo – nuo žvaigždžių formavimosi iki juodųjų bedugnių svaidomų didelės energijos srautų. „Pasirodo, daugelis anksčiau neišspręstų astronomijos problemų išaiškėja, įtraukus tarpžvaigždinio magnetizmo efektus,“ sako Bryanas Gaensleris iš Sidnėjaus universiteto Australijoje.

Ar gali tai būti tiesa, kalbant apie visą visatą? Galaktinio ir dar didesnio mastelio laukai atrodo tokie viliojantys, nes panašu, jie reliktai procesų, vykusių netrukus po Didžiojo sprogimo (DS). Be to, didžioji dalis visatos matomos masės susideda iš krūvį turinčių dalelių, kurių judėjimas paklūsta ne tik gravitacijai, bet ir kosminiam magnetizmui. Tai iškelia viliojančią galimybę, kad magnetizmas vaidino pagrindinį visatos formavimo vaidmenį nuo pat laiko pradžios.

Bet norint tuo įsitikinti, reikia atsakyti į kai kuriuos svarbius klausimus: kaip būtent laukai ten atsirado ir kada?

Visada žinojome, kad magnetizmas yra svarbus. 1835 m. vokiečių fizikas Carlas Friedrichas Gaussas pirmasis išmatavo Žemės magnetinį lauką paprastu magnetu, pakabintu ant vielos. Dabar visai neblogai žinome, kaip Saulė ir Žemė kuria savo laukus. Išsilydžiusiai geležiai Žemės išoriniame branduolyje (ar, Saulės atveju, plazmai) judant skersai magnetinio lauko linijų, sukuriamos elektros srovės. Jos kuria magnetinį lauką, papildantį jau egzistuojantį. Dėl šio dinamos efekto maža magnetinio lauko „sėkla“ gali išaugti į daug stipresnį.

Ir jis atlieka gerą darbą. Žemės magnetinis laukas saugo mus nuo mirtinų dalelių, kurios šiaip jau nudraskytų ozono sluoksnį ir paliktų mūsų planetą talžomą kenksmingų ultravioletinių spindulių. Saulės magnetinis laukas mus irgi gina, nukreipdamas dar mirtinesnes daleles, atskriejančias iš už Saulės sistemos ribų. Didesniu masteliu magnetizmas netgi galėjo prisidėti prie gyvybės atsiradimo (žr. „Silpnųjų galia“).

Tačiau nedaug kas tikėjosi, kad taržvaigždinė erdvė bus magnetinė. Pirmieji įrodymai pasirodė 1949 m., kai JAV astronomai Johnas Hallas ir Williamas Hiltneras parodė, kad „kažkas“ poliarizuoja sklindančių link mūsų žvaigždžių šviesą. Tas kažkas pasirodė besantis kosminis magnetizmas, išrikiuojantis tarpžvaigždinių dulkių kruopeles kaip mažas kompaso adatėles. Tai buvo reikšmingas atradimas, pastebi Gaensleris.

Nuo tada buvo sukurta nemažai technikų, skirtų matuoti Paukščių Tako, kaimyninių galaktikų ir dar tolesnius magnetinius laukus. Pavyzdžiui, geriausią Paukščių Tako magnetizmo žemėlapį 2011 m. sukūrė Nielsas Oppermannas su kolegomis iš Maxo Plancko astrofizikos instituto Garchinge, Vokietijoje. Jis rodo, kad lauko linijos atkartoja galaktikos spiralių formą. Jis taip taip pat patvirtina, kad Paukščių Tako bendras magnetinis laukas yra keletas mikrogausų (10^-6 gausų) – apie 100 000 silpnesnis už lauką Žemės paviršiuje.

Astronomai mano, kad magnetinius laukus spiralinėse galaktikose, tokiose, kaip kaip mūsiškis Paukščių Takas, stiprinamas ir palaikomas dinamos. Galaktikai sukantis, elektros krūvų turinčios dalelės kerta egzistuojantį magnetinį lauką, taip dar labiau jį sustiprindamos. „Hipotezė skelbia, kad galaktikos gimsta su daug silpnesniu magnetiniu lauku,“ sako Larry'is Widrowas, astrofizikas iš Queenso universiteto Kingstone, Kanadoje. „Bet iš kur radosi dinama, pasėjusi silpną pirminį lauką?“ klausia jis.

Pirmykštis laukas

Dešimtmečius mokslininkai stengėsi išspręsti šį klausimą, bet jų instrumentai nebuvo pakankamai jautrūs, kad galėtų patikrinti kurias nors jų teorijas.

Taigi, teorijų vis gausėjo. Viena idėja buvo ta, kad pirmąjį magnetinį lauką sukūrė pačios pirmosios žvaigždės ir paskui jis pasklido trapžvaigždine erdve kartu su žvaigždžių vėjais ar supernovų sprogimais. Kita skelbia, kad susiformavus pirmosioms galaktikoms, maždaug po 100 milijonų metų nuo DS, supermasyviosios juodosios bedugnės jų centruose generavo stiprius magnetinius laukus, vėliau pasklidusius į tarpgalaktinę aplinką galingomis srovėmis. Naujesnė idėja spėja, kad kosminį magnetizmą galėjo paleisti jaunų galaktikų plazmos fluktuacijos. Kai yra silpnas laukas, jį galima sparčiai sustiprinti dinamos efektu. Taip galaktikų tarpžvaigždinės aplinkos (dujų ir dulkių tarp žvaigždžių) sukimasis ir turbulencija sustiprina pirminį menką lauką. Šie procesai lauko stiprumą gali padvigubinti maždaug per tiek laiko, kiek trunka žvaigždės ar juodosios bedugnės apsisukimas. Toks laikas visiškai nereikšmingas lyginant su visatos amžiumi, tad vos juntamas laukas greitai gali pasiekti visai apčiuopiamą stiprį.

Tik bėda, kad jaunų galaktikų, kurių šviesa mus pasiekia iš toli, magnetinio lauko stipris turėtų būti daug mažesnis, nei gretimų galaktikų. Bet astronomai randa įrodymų, kad mikrogausų eilės laukai egzistavo ir ankstyvose galaktikose. Tad, arba dinamos mechanizmas stipresnis, arba, kas labiau vilioja, pradiniai laukai buvo sukurti DS žybsnyje.

Bumas

Widrow ir jo kolega Michaelas Turneris iš Čikagos universiteto tokį scenarijų pasiūlė 1988 m. Jie iškėlė mintį, kad pirminiai magnetiniai laukai buvo sukurti pirmosiomis akimirkomis po DS ir sustiprinti infliacijos, kai gimstantis kosmosas plėtėsi sparčiau, nei šviesa. Dabar regimas didžiąsias galaktikų struktūras sukėlė tuo laiku vykusios energijos kvantinės fluktuacijos. Widrow ir Turneris parodė, kad infliacija taip pat galėjo padidinti elektromagnetinio lauko fluktuacijas taip, kad visoje visatoje liko šiek tiek magnetizmo.

Tam, kad idėja veiktų, mokslininkams reikėjo pakeisti žymiąsias Jameso Clerko Maxwello suformuluotas lygtis, aprašančias elektrinius ir magnetinius laukus, ir įvesti egzotišką dalelę aksioną. „Idėja buvo ad hoc ir pasiūlymo aspektai neramino dalelių teoretikus,“ pripažįsta Widrow. Jų skaičiavimai rodė 10^-50 gausų pradinio magnetinio lauko stiprį, o tai reiškia, kad būtų reikėję stipresnių dinamų tam, kad būtų pasiektas dabartinis magnetizmo lygis.

Kaip bebūtų, Widrow ir Turnerio idėja suteikė postūmį kitiems tyrėjams. „Jų teorija buvo pati pirmoji, pasiūliusi magnetinio lauko atsiradimą, vykstant infliacijai,“ sako Dominikas Schleicheris iš Göttingeno universiteto Vokietijoje. „Ji žymėjo pamatinį mūsų supratimo akmenį.“

Anksčiau šiais metais, fizikas Leonardo Campanelli iš Bari universiteto Italijojepaaiškino, kaip šios fluktuacijos galėjo pasėti pradinį magnetizmą ir be nestandartinės fizikos. Jis naudojo matematinį triuką, vadinamąją renormalizaciją, kurią dalelių fizikai jau naudoja niekais jų lygtis verčiančių begalybių pažabojimui. „Niekas nebuvo pagalvojęs pritaikyti renormalizacijos pradinio magnetizmo problemai,“ sako Campanelli.

Jo darbuose gaunamas daug stipresnis, 10^-12 gausų magnetinis laukas. Tai vis dar mažiau, nei išmatuotas 10^-6 gausų lygis tarpgalaktinėje erdvėje. Bet tokio foninio lygio, į kurį gimė pirmosios žvaigždės ir galaktikos, pakanka, kad būtų galima jį sustiprinti iki dabartinio, pažymi jis.

Widrow Campanelli'io darbas padarė įspūdį. „Jei skaičiavimai šiame dokumente geri, didelio mastelio magnetiniai laukai tampa natūralia ir tikėtina infliacijos pasekme, o ne kažkuo, kam reikia egzotiškų, jei nepasakyti kontroversiškų, fizikos dėsnių modifikacijų,“ sako jis.

Kiti nurodo bet kokių teorijų, generuojančių magnetinį lauką visame kosmose infliacijos metu ar netrukus po jos, problemas. Magnetinis laukas būtų turėjęs praktiškai išnykti per Tamsos erą.

Pirmuosius 378 000 savo egzistavimo metų visata buvo tokia karšta, kad nebuvo atomų, tik elektronai, branduoliai ir fotonai. Šis kunkuliuojantis elektros krūvių katilas buvo puiki vieta rastis stipresniam magnetiniam laukui, stiprinančiam netrukus po infliacijos buvusį pradinį lauką.

Visatai plečiantis, ji atvėso pakankamai, kad protonai pačiuptų elektronus ir taptų elektriškai neutraliais vandenilio atomais. Jiems susijungus, visatą užplūdo radiacija – tai žymusis kosminis mikrobangų fonas (KMF) (cosmic microwave background – CMB).

Tada atėjo tamsieji amžiai – taip vadinami, nes tuo metu niekas nespinduliavo šviesos. Vienintelis spinduliavimo šaltinis buvo vandenilio atomai, skleidę būdingas 21 cm ilgio radijo bangas.

Sumažėjęs krūvį turinčių dalelių skaičius kosminiam magnetizmui tikriausiai kėlė problemų. Tamsiaisiais amžiais 10 000 vandenilio atomų teko vos vienas laisvas elektronas ar protonas. Kadangi magnetiniai laukai priklauso nuo elektronų ir protonų judėjimo, kai kurie mokslininkai mano, kad pradinis laukas tuo metu galėjo visai išnykti.

Tamsieji amžiai tęsėsi tol, kol visatoje atsirado pirmieji šviesos šaltiniai. Besiformuojančios žvaigždės ir galaktikos paskleidė milžiniškus kiekius radiacijos, atplėšusios elektronus nuo vandenilio atomų. Ši rejonizacijos epocha truko daugmaž milijardą metų ir visata buvo kupina magnetinių laukų atsiradimui palankių elektronų ir protonų.

Nesame tikri, kaip kosminiam magnetizmui sekėsi tais siautulingais laikais. Tačiau po dešimtmečių egzotiškų teorijų, gali būti, kad kai kurie atsakymai ryškėja.

Apjungdami stebėjimus keliais teleskopais, tiriančiais skirtingas kosminės istorijos eras, tyrėjai galės pasekti magnetizmo evoliuciją. Žinojimas, kaip magnetiniai laukai atrodė visatos kūdikystėje ir kaip jie vystėsi toliau, padės apibrėžti jo kilmės modelius.

Pasak astronomo Richardo Daviso iš Mančesterio universiteto, JK, kitais metais galėsime išvysti pirmas analizes kosminio magnetizmo matavimų, atliktų Planck palydovu, tyrusiu KMF. Jei pirminiai laukai egzistavo, kai visatai buvo 378 000 metų, jų „įspaudai“ turėtų būti likę KMF.

Teleskopai sutraukia draugėn

Prie Plancko mokslininkų jungiasi radioastronomai iš Low-Frequency Array for radio astronomy – LOFAR, kurio antenos išsibarsčiusios penkiose Europos šalyse. Be to, tyrėjai, dirbantys su dviem instrumentais Australijos dykrose – Australian Square Kilometre Array Pathfinder (ASKAP) ir Murchison Widefield Array. Jie ieško sinchrotroninių radijo emisijų: radiobangų, kurias paskleidė kosminių spindulių elektronai, sukdamiesi apie magnetinio lauko linijas.

LOFAR specialiai sukurtas ilgesnių bangų matavimui, tad jis galės tirti silpnesnių magnetinių laukų regionus – tokie yra tarp galaktikų – iš ištirti klausimą, kaip toli nuo galaktikos disko magnetinis laukas driekiasi. Jis taip pat galės ištirti anksti visatoje susiformavusių galaktikų laukus.

Gaensleris, vienas iš ASKAP kosminio magnetizmo projekto vadovų, yra įsitikinęs, kad galės nustatyti, kuri iš daugybės teorijų teisinga. „Žinosime atsakymą per porą metų,“ tvirtina jis.

Rasti stiprių magnetinių laukų įrodymai protogalaktikose remtų idėją, kad magnetizmą pradėjo smūgio bangos arba plazmos fluktuacijos jaunose galaktikose Raineris Beckas Maxo Plancko radioastronomijos institute Bonnoje, Vokietijoje. Tačiau, jei pirmieji laukai bus rasti netoli galaktikų branduolių, tai gali paremti ankstyvųjų žvaigždžių ar ankstyvųjų galaktikų dinamų veikimą.

Galingesnis stebėjimas jau irgi ruošiamas, kaip gigantiškas radioteleskopas Square Kilometre Array (SKA) Australijoje ir Pietų Afrikoje. Šiuo tūkstančių radijo antenų kompleksu mokslininkai galės tirti magnetinius laukus 10 kartų didesne raiška, nei pasiekiama dabar. Planuojama, kad SKA pirmuosius matavimus atliks 2020-ųjų pradžioje. Juo bus tiriama rejonizacijos epocha, stengiantis nustatyti pirmuosius visatos objektus. Juo bus ieškoma ir ankstyvųjų magnetinių laukų. „SKA leis iki šiol neregėtu jautrumu išmatuoti radiobangų intensyvumą ir poliarizaciją,“ sako Ethanas Vishniacas, Saskatchewano universiteto Saskatoone, Kanadoje, astrofizikas.

Jei SKA parodys, kad stiprūs laukai egzistavo aplink pirmuosius objektus, tai gali paremti pirminio lauko idėją, sako Beckas. Tai rodytų, kad magnetiniai laukai egzistavo prieš galaktikų formavimąsi – ir galėjo turėti poveikį jų evoliucijai. Šiuo atveju pagalbon galėtų ateiti Planckas ar kitos kartos KMF palydovai, kuriuos tyrėjai norėtų sukurti.

Per dešimtmetį ar panašiai, kai šių visų teleskopų ir palydovų matavimai bus išanalizuoti, reikės perpiešti mūsų kosminius žemėlapius. „Dauguma galaktikų kosmologinės evoliucijos dujų dinamikos skaitmeninių simuliacijų magnetinius laukus ignoruoja,“ sako Harvardo universiteto astronomas Avi Loebas. „Kitas iššūkis bus juos įtraukti, kartu su kosminiais spinduliais, ir stengtis įžvelgti, kokį poveikį šie komponentai turės galaktikoms.“

Kai suprasime, kaip nematomos gravitacijos ir magnetizmo rankos veikia kosmose, žinosime, kaip iš tiesų veikia visata.

Katia Moskvitch
New Scientist, № 2942