Kosmologiją pertvarkysiančios pirmykštės jėgos medžioklė

Tokį mastą suvokti sunku. Bet pažvelgus iš toli, visatos vaizdas atsiskleidžia: „kosminis tinklas“, kuriame dujų sankaupų gijos vejasi apie didžiules tuštumas, skiriančias galaktikų spiečius. Tai yra vienos iš paslaptingiausių kosmoso struktūrų – o neseniai tarp jų aptikta stulbinama esatis.

Anksčiau šiais metais, Tessa Vernstrom iš Tautų sandraugos Mokslo ir pramonės tyrimų organizacijos Perthe, Australijoje, vadovaujami astronomai patvirtino aptikę magnetinio lauko linijas, nusidriekusias 50 milijonų šviesmečių tarp galaktikų spiečių.

Tai buvo viena iš pirmųjų magnetizmo egzistavimo tokiu gigantišku mastu demonstracijų. Bet iš tiesų jaudina tai, kad jau vien pats tokių laukų dydis rodo, kad jie gali būti likę nuo pat visatos gimimo iš didžiojo sprogimo.

Kosmologai svajoja aptikti tokius „pirmykščius“ magnetinius laukus, nes juose gali slypėti raktas nuo ilgai ieškomų viso ko atsiradimo paslapčių ir netgi modernios kosmologijos didžiausios problemos sprendimas. Bet užtikrintai juo aptikti – labai keblu. Kaip žvelgiant į magnetiniais laukais užtvindytos visatos tolius galima būti tikram, kad stebimas laukas yra būtent iš pačios laikų pradžios?

Tokie atradimai, kaip Vernstrom suteikia daugiau užtikrintumo, kad nors gal dar tikslas nepasiektas, tačiau jau turime teorinį nusą ir stebėjimo įrankius pagaliau šį proveržį atlikti. „Tinklas veržiasi“ sako Franco Vazza, astrofizikas iš Bologna universiteto Italijoje.

Įtakos sferos

Magnetizmas – pažįstama jėga. Kosmose plintančių magnetinių laukų prigimtis tokia pati, kaip ir magnetuko ant šaldytuvo: elektringų dalelių, tokių, kaip elektronai, judėjimas ir išsirikiavimas. Magnetiniai laukai nematomi, tačiau jų įtaka sklinda plačiai, nes magnetizmas yra vienintelė, neskaitant gravitacijos, fundamentali sąveika, sklinda toli.

Todėl keista, kad kosmologai magnetizmui neskiria deramo dėmesio. „Savaitės trukmės kosmologijos konferencijoje galima nė karto taip ir neišgirsti žodžio „magnetizmas“, kas švelniai, tariant, keistoka,“ sako Bryanas Gaensleris, Toronto universiteto Dunlap astronomijos ir astrofizikos instituto direktorius.

Magnetizmas nėra toks kosminis nežinomasis, kaip juodosios bedugnės ar tamsioji energija: žinome apie nemažai, žinome, ką jis veikia ir kas jį generuoja. Žemės magnetinis laukas saugo mus nuo Saulės radiacijos, o Saulės magnetizmas sukelia blyksnius ir magnetinius vainikinės masės išmetimus. O dar yra žvaigždžių, vadinamų magnetarais, klasė, kurie, manoma yra galingiausią magnetinį lauką kuriantys visatos objektai. Atitinkama įranga, astrofizikinių objektų magnetinio lauko sklidimą galima stebėti kaip pirštų atspaudus, ar topografinio žemėlapio linijas.

Pradžioje?

Tačiau nežinome, koks magnetinių laukų amžius, ir kiek jie paveikė kosmoso evoliuciją, ypač – jos formavimosi laiku. „Neįtikėtinai detaliai žinome, kas nutiko visatoje, praėjus menkiausiai sekundės daliai nuo didžiojo sprogimo iki galaktikų ir žvaigždžių formavimosi,“ pažymi Gaensleris. „Bet šiame paveiksle yra kelios tuščios vietos, ir sakyčiau, kad viena iš didžiausių – magnetinio lauko vieta.“

Ko gero didžiausias klausimas, ar magnetinis laukas buvo ankstyvosios visatos savybė, ar atsirado vėliau, o nuo to priklauso, ar magnetinis laukas prisidėjo prie infliacijos, sekundės dalį trukęs eksponentinis plėtimasis, nukreipęs naujagimę visatą dabar matomu keliu. Kaip bebūtų, jame gali būti likę to įvykio pėdsakų, pagal kuriuos galėtume patikrinti savo idėjas, kaip visa vyko.

Be viso kito, jame gali būti užuominų apie pirmųjų žvaigždžių formavimąsi. „Nežinant, ar pirmosioms žvaigždėms susiformuoti buvo būtinas magnetinis laukas, – šiuo atveju jis turėjo atsirasti anksčiau – ar ne, galutinai išspręsti šio klausimo negalima.“

Kitiems tyrėjams tai gal net dar didesnis prizas: didžiosios kosmologijos krizės sprendimas. Ji vadinama Hubble'o įtampa, nes visa daugėja nepaneigiamų įrodymų, kad visata dabar plečiasi greičiau, nei turėtų pagal standartinį kosmologijos modelį. Nedidelė kosmologų armija bando išsiaiškinti Hubble'o įtampos priežastis, ar bent jau reikšmę kosmologijai. Pernai iškelta nauja hipotezė: tai gali būti pirminių magnetinių laukų darbas.

„Dabar, visatos evoliucija aiškinama, neatsižvelgiant į magnetinius laukus,“ pažymi Levon Pogosian, fizikas iš Simon Fraser universiteto Burnaby, Kanadoje. Tačiau Pogosianas ir Karsten Jedamzik iš universiteto Prancūzijoje, išsiaiškino, kad į visatos vystymosi pagal standartinį modelį simuliacijas pridėjus magnetizmą, gaunama plėtimosi prognozė daug artimesnė empiriniu būdu išmatuotoms vertėms, nei ekstrapoliacijos pagal standartinį kosmologijos modelį. „Tai gali būti labai jaudinamas posūkis,“ pažymi Pogosianas.

Johnso Hopkinso universiteto Baltimorėje, Marylande, fizikas Adamas Riessas, vienas iš laimėjusių fizikos Nobelio premiją už spartėjančio visatos plėtimosi atradimą, pritaria. „Geriausia pirminio magnetinio lauko savybe man atrodo tai, kad jam nereikia jokių naujų komponentų ar visatos savybių,“ sako Riessas. „Jis panaudoja kažką, kas turėjo tam tikru lygiu egzistuoti, tačiau apie tą lygį žinome mažai, o jis galėtų išspręsti įtampos problemą.

Tik bėda, kad nežinome, ar pirminiai magnetiniai laukai egzistuoja. Jei taip, tai jie tikriausiai neįtikinai silpnos, kone vaiduokliškos visiškai kitokios visatos liekanos, nusidriekusios neįsivaizduojamai toli. Jos netgi gali būti persmelkusios visą kosmosą kaip silpnas, visur esantis signalas, kurį visur sukūrė kažkoks nežinomas reiškinys visatos laiko pradžioje. „Intriguojanti galimybė, kad netgi dangaus kūnuose esantys magnetiniai laukai yra sukurti, sustiprinant iš iš karto esančius pradinius magnetinius laukus,“ sako Nacionalinio astrofizikos instituto Cagliari, Italijoje astronomė Federica Govoni.

Pagal tokį scenarijų, juodųjų bedugnių ar kitų astrofizikinių objektų magnetiniai laukai pakeičia senesnius laukus, užstodami jų vaizdą. Labiausiai tikėtinas pirminių laukų patvirtinimo būdas – aptikti magnetizmo ženklus rečiausiose visatos dalyse: tuštumose tarp kosminį tinklą formuojančių gijų.

Tokioje tuštumoje aptikto magnetini lauko negalėtų paaiškinti jokie astrofizikiniai procesai. Tuštumose tiek mažai materijos, kad vienintelis menkiausio magnetizmo paaiškinimas būtų, kad jis čia buvo nuo laiko pradžios, ar panašiai. „Magnetinių laukų aptikimas kominio tinklo tuštumose būtų akivaizdus įrodymas,“ sako Govoni.

2019 metais Govoni su kolegomis būtent tai ir aptiko kosminėje gijoje, galaktikų spiečius jungiančias 10 milijonų šviesmečių ilgio magnetinio lauko linijas. Kaip dabartinio Vernstrom ir jos komandos atradimo atveju, tyrėjai silpną aptiko pagal sinchrotroninį spinduliavimą – radio bangas, kuriamas elektringų dalelių, besisukančių spiralėmis magnetiniame lauke.

„Tuštumos savo paslaptis gali atskleisti egzotiškais signalais“

Šie atradimai labai svarbūs, nes rodo, kad galime aptikti silpnus laukus dideliais atstumais. „Jie pasklidę dideliuose dangaus plotuose ir skleidžiama emisija silpna,“ sako Vernstrom. „Matuojamos silpnos emisijos dideliame plote ir dėl to jas aptikti dar sunkiau. O dar jos užbarstoma kitais, ryškesniais dalykais – įprastomis galaktikomis, mūsų galaktika, dar instrumentinis triukšmas, – o jos blyškesnė, nei dauguma šių dalykų.“

Norint tuštumose ką nors pamatyti – bet ką – yra daug sunkiau paprasčiausiai dėl to, kad ten labai mažai materijos, kurio galėtų sąveikauti su magnetiniais laukais ir taip išsiduoti. Bet tuštumos paslaptis gali atskleisti egzotiški fenomenai, kosminėje kelionėje sklindantys per šiuos vakuumus.

Pavyzdžiui, blazarai. Tai galaktikos, kurių supermasyvios juodosios bedugnės, beveik šviesos greičiu besisvaidančios jonizuotos materijos srautais. Tai yra vieni ryškiausių ir energingiausių dangaus objektų. Dar 2010 metais tyrėjai pastebėjo, kad jeigu blazaras neturi charakteringo mažos energijos gama spindulių halo, srautas tikriausiai kirto ekstragalaktinį magnetinį lauką.

Susuktos bangos

Tačiau iš tiesų pirminių magnetinių laukų medžioklę pagyvino dešimčių greitų radio blyksnių (FRB) aptikimas. Tai yra trumpi, radiobangų pulsai tolimose galaktikose, o jų intensyvumas – kaip kelių Saulių. Astronomams šie signalai dar gan nauji, ir nėra konsensuso, kas juos kuria. Bet per kelis pastaruosius metus jų aptinkama vis daugiau. Taip tapo aišku, kad jie slepia du tolimus signalus apie jų kertamo kosmoso tolius.

Kosminiai magnetiniai laukai dažniausiai tiriami, matuojant per juos sklindančio spinduliavimo poliarizaciją. Toks poliarizuotas spinduliavimas, kurio bangos vibruoja tik vienoje plokštumoje, gali būti žvaigždės ar galaktikos šviesa, bet gali būti ir FRB. Kai per kosmosą sklisdamos FRB bangos susiduria su magnetiniu lauku, jo poliarizuotos bangos susisuka į spiralę. Matuojant šio pokyčio – vadinamo Faradėjaus rotacija – laipsnį, galima nustatyti, kokį magnetinį lauką jis kirto ir jo intensyvumą.

„Dabar galime išmatuoti 100 kartų silpnesnius magnetinius laukus, nei anksčiau,“ sako Gaensleris. Tačiau ir dabar geriausių radioteleskopų jautrumo vos pakanka aptikti silpnus signalus, kuriuos turėtų skleisti pirminiai magnetinai laukai. Ir čia pasireiškia FRB grožis, jie turi dar vieną pranašumą prieš visus kitus signalus iš kosmoso, pabrėžia Gaensleris: „Greitieji radio blyksniai ypatingi tuo, kad jie patiria dar vieną efektą, kurį galime išmatuoti.“

Šis efektas vadinamas dispersija. FRB sklindant kosmosu, spinduliavimas pasislenka į žemesnius dažnius, nes ją sklaido elektronai ir kitos dalelės, ir tampa neryški. Matuodami šią dispersiją, astronomai taip pat gali sužinoti regiono, per kurį ji sklido, tankį. Taigi, jei konkreti FRB kirto menkai magnetinį erdvės regioną, kuriame dar ir ekstremaliai mažas materijos tankis, tai labai gali būti, kad signalas keliavo per tuštumą – ir tai savo ruožtu, rodytų, kad ten esantis magnetizmas yra pirminis. „Greiti radio blyksniai tam tinka idealiai,“ sako Vazza.

Net jei paaiškės, kad pirminiai magnetiniai laukai yra visur, jų prognozuojamas silpnumas reiškia, kad jiems aptikti teks pasitelkti statistinius metodus. O tam reikia duomenų. Daug duomenų.

Pavyzdžiui, kai Vernstrom ir jos kolegos prie kosminių gijų aptiko magnetizmą, buvo sujungta šimtai tūkstančių galaktikų atvaizdų. Tokia technika, vadinama atvaizdo suklojimu, sustiprina signalą ir išskiria iš kurtinančio triukšmo taip, kad išryškėja vos girdimas radioemisijų šnaresys. „Triukšmas išties stiprus, ir reikia save įtikinti,“ sako Vernstrom. „Atliekame įvairiausius testus, stengdamiesi signalą panaikinti. Ir jei nepavyksta, tuomet imi manyti išties kažką aptikęs.“

Artėjantis poplūdis

Panašiai ir Vazza mano, kad norint užtikrintai atrasti senovinį magnetizmą, reikės duomenų tvano. O būtent, jis su kolegomis paskaičiavo, kad reikės tūkstančio FRB, visų su nustatyta Faradėjaus rotacija. Laimei, šio iššūkio imasi nauja radioteleskopų karta. „Kanadoje yra CHIME instrumentas, galintis aptikti FRB pramoniniais kiekiais, jis taip sukurtas,“ sako Pogosianas. „Ateityje turėsime tūkstančius, gal dešimtis tūkstančių, o gal net šimtus tūkstančių FRB.“

„Mums žinoma kosmologija pirmykščio magnetizmo neima domėn“

Australijos kvadratinio kilometro masyvo Pathfinder teleskopas – Square Kilometre Array (SKA) prekursorius, išdėstytas Australijoje ir Pietų Afrikoje – irgi pateiks tūkstančius FRB. O kai SKA pradės veikti visu pajėgumu, jis bus didžiausias radioteleskopas pasaulyje ir astronomai to nekantraudami laukia. „Jis matavimo rodiklius pastums link 10 milijonų matavimų ir galės pažvelgti tolius ir į senesnius laikus,“ sako Gaensleris. Galiausiai SKA sukurs dangaus trimatį Faradėjau rotacijos tinklą, priduria – kažką panašaus į visatos magnetizmo žemėlapį.

Tik nereikia tikėtis, kad tai bus Eureka momentas. „Šioje srityje atsakymai randami, nuolat kaupiant statistiką, o ne atrandant kažką konkretaus,“ perspėja Gaensleris. Bet tokių konsensuso paieškų nedramatiškumą, su kaupu kompensuoja reikšmingumas.

Dabartinė kosmologija – apimanti viską, nuo elementų kūrimo iki erdvėlaikio plėtimosi – neatsižvelgia į magnetinius laukus, sako Vazza. „Taigi, jei išsiaiškinsime, kad magnetiniai laukai buvo sukurti pačioje pirmykštėje epochoje, tai bus ženklas naujos fizikos , kurią turėsime įtraukti į kosmologinius modelius.“

Netgi gali paaiškėti, kad magnetizmo vaidmuo buvo esminis žvaigždžių ir galaktikų formavimuisi, nors, aišku, vis viena tektų aiškintis, kas įmagnetino kosmosą. „Tai tikrai senas nežinomasis ir manau, dabar reikalai keisis iš esmės,“ sako Vernstrom. „Atveriame langą į šią visatos dalį.“