|
Как разгадать одну из величайших загадок Вселенной
|
|
|
|
Хорошо известно, что Вселенная расширяется, но среди ученых существуют серьезные разногласия по поводу того, насколько быстро это происходит. Два из наших лучших способов измерения скорости космического расширения, постоянная Хаббла, дают ответы, которые упорно противоречат друг другу. Это представляет собой серьезную проблему в современной космологии, известную как напряженность Хаббла.
|
|
|
|
Однако мы задались вопросом, может ли идея, первоначально предложенная для решения другой космической загадки — происхождения космических магнитных полей — помочь нам раскрыть тайну напряженности Хаббла.
|
|
|
|
В нашем недавно опубликованном исследовании рассматривается вопрос о том, могут ли чрезвычайно слабые магнитные поля, оставшиеся с самых ранних моментов после Большого взрыва, помочь нам разобраться с напряженностью Хаббла, а также дать представление о физике энергий, намного превосходящих все достижимое на Земле.
|
|
|
|
Постоянная Хаббла и напряженность
|
|
|
|
Астрономы используют постоянную Хаббла для измерения скорости расширения Вселенной. Она названа в честь американского астронома Эдвина Хаббла, который первым обнаружил, что Вселенная расширяется.
|
|
|
|
Существует два концептуально различных подхода к измерению постоянной Хаббла. Один из них - косвенный, основанный на предсказаниях нашей космологической модели, настроенной на соответствие закономерностям космического микроволнового фона, слабого послесвечения Большого взрыва.
|
|
|
|
|
|
|
Телескопы, такие как космический телескоп Планка, измерили крошечные колебания этого древнего света и предсказали, что постоянная Хаббла составит около 67 километров в секунду на мегапарсек (км/с/Пдк). Парсек - это используемая в астрономии единица измерения расстояния, равная примерно 3,26 светового года, или 30,9 триллиона километров. Мегапарсек - это один миллион парсеков.
|
|
|
|
Второй метод более прямолинеен и аналогичен тому, который использовал Хаббл в 1920-х годах, когда он впервые продемонстрировал, что Вселенная расширяется.
|
|
|
|
Он измеряет, с какой скоростью удаленные галактики удаляются от нашей родной галактики, Млечного Пути, наблюдая за яркостью вспышек сверхновых в этих далеких галактиках.
|
|
|
|
Сверхновые типа Ia известны как "стандартные свечи", потому что мы знаем, что их светимость одинакова, где бы они ни находились. Это означает, что мы можем судить о расстоянии до них по тому, насколько тусклыми они кажутся нам.
|
|
|
|
Чтобы определить их внутреннюю яркость, астрономы используют другие стандартные звезды-свечи, такие как цефеиды, в близлежащих галактиках. Эти наблюдения, проведенные с помощью космических телескопов Хаббла и Джеймса Уэбба, дают более высокое значение - около 73 км/с/Мпк.
|
|
|
|
Эта разница между двумя измерениями называется коэффициентом Хаббла. Разница между 67 и 73 может показаться небольшой, но она статистически очень значима. Если оба метода верны, то в нашей стандартной космологической модели должно быть упущено что-то важное.
|
|
|
|
Магнитные поля существуют повсюду во Вселенной. Планеты и звезды генерируют свои собственные поля, но пробелы в нашем понимании возникают, когда мы пытаемся объяснить гораздо более масштабные магнитные поля, пронизывающие галактики и скопления, и, возможно, даже космические пустоты.
|
|
|
|
Одна из давно изученных возможностей заключается в том, что магнетизм впервые возник в самой ранней Вселенной, задолго до образования первых звезд или галактик. Эти так называемые первичные магнитные поля изучались на протяжении десятилетий, и поиск их отпечатков в космическом микроволновом фоне и других данных дает возможность исследовать раннюю Вселенную и экстремальные энергии, которые могли бы генерировать эти поля.
|
|
|
|
В 2011 году двое из нас (Карстен и Том) указали, что первичные магнитные поля будут влиять на рекомбинацию — когда электроны и протоны впервые объединяются, образуя нейтральный водород, — и Вселенная из непрозрачной станет прозрачной. Первым источником света, который с этого момента может свободно распространяться, является то, что мы сейчас наблюдаем как космический микроволновый фон.
|
|
|
|
Если бы он существовал, первичные магнитные поля ускоряли бы рекомбинацию, сталкивая и притягивая заряженные частицы, делая материю слегка комковатой. Там, где частицы находятся в большем скоплении, они с большей вероятностью встретятся и образуют водород.
|
|
|
|
Смещение момента, когда Вселенная становится прозрачной, изменяет размер наблюдаемых структур в космическом микроволновом фоновом режиме. Это эффективно изменяет космическую линейку, используемую для измерения расстояний, и, в свою очередь, значение постоянной Хаббла, полученное из модели, что помогает ослабить напряженность Хаббла. Двое из нас (Карстен и Левон) продемонстрировали этот эффект в 2020 году, используя упрощенную модель рекомбинации.
|
|
Прорыв: что мы обнаружили
|
|
|
|
В нашей новой статье мы впервые использовали полное трехмерное моделирование первичной плазмы с включенными в нее магнитными полями, отслеживая, как образуется водород.
|
|
|
|
Мы использовали историю образования водорода, полученную в результате этого моделирования, для вычисления прогнозов того, как должен выглядеть космический микроволновый фон, если бы существовали первичные магнитные поля, и проверили эти прогнозы на основе наблюдений за этим фоном.
|
|
|
|
Космический микроволновый фон чрезвычайно чувствителен к изменениям при рекомбинации. Если бы первичные магнитные поля изменили его таким образом, что это противоречило наблюдениям, эту идею можно было бы исключить. Вместо этого данные показали, что наше предположение остается жизнеспособным.
|
|
|
|
В различных комбинациях наборов данных мы находим устойчивое, умеренное предпочтение первичных магнитных полей, варьирующихся примерно от 1,5 до трех стандартных отклонений. Это еще не открытие, но значимый намек на то, что они существуют.
|
|
|
|
Не менее важно и то, что, согласно полученным данным, напряженность магнитного поля, составляющая на сегодняшний день от пяти до 10 Пикогаусс, близка к той, которая была бы необходима для возникновения магнитных полей галактик и скоплений только из первичных зародышей. Пикогаусс - это единица измерения, используемая для измерения напряженности магнитных полей.
|
|
|
|
Помимо того, что гипотеза Хаббла поможет ослабить напряженность, если подтвердятся данные о первичных магнитных полях, они откроют новое окно в представление о том, какой была Вселенная, когда ей было всего несколько секунд от роду, и, возможно, позволят взглянуть на важные события, такие как сам Большой взрыв.
|
|
|
|
Наши результаты показывают, что это предложение выдержало самую тщательную проверку, доступную на сегодняшний день, и дает четкие ориентиры для будущих наблюдений. В течение следующих нескольких лет мы узнаем, помогли ли крошечные магнитные поля с незапамятных времен сформировать Вселенную, которую мы видим сегодня, и являются ли они ключом к разрешению проблемы напряженности Хаббла.
|
|
|
|
Источник
|
