Всесвіт розширюється — це один із фундаментальних фактів сучасної космології. Але є проблема: вчені досі не можуть точно домовитися, наскільки швидко це відбувається. Два найкращі методи вимірювання швидкості космічного розширення дають різні результати. І ця невідповідність настільки серйозна, що отримала власну назву — «напруга Габбла».
Тепер дослідники запропонували несподіваного кандидата на роль винуватця. Ним можуть бути крихітні магнітні поля, які залишилися ще з найперших митей існування Всесвіту. І якщо ця ідея підтвердиться, вона може не просто допомогти розв’язати одну з головних проблем космології, а й дозволити зазирнути у фізику перших миттєвостей після Великого вибуху.
Чому Всесвіт «розширюється з двома швидкостями»
Для опису швидкості розширення космосу астрономи використовують сталу Габбла. Вона показує, наскільки швидко далекі галактики віддаляються від нас залежно від відстані до них. Проблема виникає, коли цю величину намагаються визначити різними способами.
Перший метод є непрямим. Вчені аналізують реліктове випромінювання — слабке світіння, яке залишилося від раннього Всесвіту. Космічні телескопи, зокрема Planck, виміряли крихітні коливання цього випромінювання.
На основі цих даних і стандартної космологічної моделі виходить значення близько 67 км/с/Мпк. Але є й інший підхід — безпосередньо вимірювати відстані та швидкість віддалення галактик.
Для цього астрономи використовують наднові типу Ia — своєрідні «стандартні свічки», яскравість яких можна порівнювати незалежно від того, де вони знаходяться. Додатково використовують цефеїди та інші об’єкти, відстані до яких можна визначити.
Спостереження за допомогою телескопів Hubble і James Webb дають уже інше число — приблизно 73 км/с/Мпк. На перший погляд різниця між 67 і 73 може здатися незначною. Але для космології це величезна проблема. Якщо обидва вимірювання правильні, то наша стандартна модель Всесвіту може бути неповною.
А що тут робить магнетизм?
Магнітні поля у Всесвіті — не рідкість. Вони є у планет, зір, галактик і навіть великих скупчень галактик. Але залишається загадкою, звідки взялося магнітне поле на таких величезних масштабах.
Одна з гіпотез припускає, що його «насіння» могло з’явитися ще в ранньому Всесвіті, задовго до утворення перших зірок і галактик.
Такі поля називають первісними, або примордіальними магнітними полями. Вони могли бути надзвичайно слабкими. Настільки слабкими, що сьогодні їх практично неможливо уявити у звичайному масштабі. Але в молодому Всесвіті навіть таке поле могло мати важливий вплив.
Магнітне поле могло змінити появу першого водню
Приблизно через 380 тисяч років після Великого вибуху Всесвіт пережив важливий етап — рекомбінацію.
Електрони почали об’єднуватися з протонами, утворюючи нейтральний водень. Всесвіт поступово став прозорим для світла, і саме з цього періоду походить реліктове випромінювання, яке ми спостерігаємо сьогодні.
Дослідники припускають, що первісні магнітні поля могли впливати на рух заряджених частинок і таким чином трохи прискорювати процес утворення водню. Здавалося б, що тут такого?
Але навіть невелика зміна швидкості рекомбінації могла вплинути на момент, коли Всесвіт став прозорим. Це, своєю чергою, змінює те, як ми сьогодні інтерпретуємо структуру реліктового випромінювання. Фактично магнітне поле могло трохи змінити «космічну лінійку», якою астрономи вимірюють Всесвіт. А разом із нею могла змінитися і розрахована стала Габбла.
Фізики провели найдетальнішу перевірку
У новому дослідженні вчені пішли далі за попередні розрахунки. Вони створили повноцінні тривимірні симуляції первісної плазми з магнітними полями, простеживши, як у такому середовищі формувався водень.
Потім отриману історію рекомбінації використали для прогнозування того, яким мало б виглядати реліктове випромінювання, якщо первісні магнітні поля справді існували. І тут з’явилася цікава деталь. Спостереження не суперечать цій гіпотезі.
Навпаки, аналіз різних наборів даних показав невелику, але послідовну перевагу моделі з первісним магнітним полем. Статистична значущість результату становить приблизно 1,5–3 стандартних відхилення залежно від набору даних. Це звучить серйозно, але є важливий нюанс: це ще не відкриття.
У фізиці для гучної заяви про відкриття потрібен значно вищий рівень статистичної впевненості. Тож поки що вчені мають не доказ, а цікаву підказку.
Магнітне поле розміром із загадку
Ще цікавіше те, яку силу поля показують розрахунки. Дані найкраще узгоджуються з первісним магнітним полем приблизно 5–10 пікоґаусів у сучасному Всесвіті.
Пікоґаус — надзвичайно мала одиниця вимірювання магнітного поля. І саме тут виникає ще один цікавий збіг. Такої сили потенційно може бути достатньо, щоб первісні магнітні поля стали «насінням», із якого згодом сформувалися значно сильніші магнітні поля галактик і галактичних скупчень.
Тобто одна й та сама гіпотеза потенційно може допомогти пояснити одразу дві загадки: звідки взявся космічний магнетизм і чому вимірювання швидкості розширення Всесвіту не сходяться.
Це може бути вікном у перші миті Всесвіту
Якщо первісні магнітні поля справді існували, їхнє походження може бути пов’язане з фізичними процесами, які відбувалися через частки секунди після Великого вибуху. А це вже зовсім інший рівень. Сучасні прискорювачі частинок дозволяють відтворювати надзвичайно високі енергії, але умови раннього Всесвіту були набагато екстремальнішими.
Тому сліди такого магнітного поля фактично можуть стати своєрідним архівом найдавнішої фізики, яку неможливо відтворити безпосередньо в лабораторії.
Попереду — нові спостереження та перевірки. Якщо майбутні дані підтвердять існування такого поля, вчені можуть отримати не просто пояснення «напруги Габбла».
Вони можуть знайти слід фізики з епохи, коли Всесвіту було лише кілька митей. І тоді загадка, чому Всесвіт «не сходиться» у своїх вимірюваннях, може виявитися не помилкою астрономів, а першою підказкою, що ми ще не до кінця розуміємо, як працює сам космос.
