|
Темная материя приводит к возникновению магнитных полей
|
|
|
|
Известно, что крошечные магнитные поля с высокой однородностью пронизывают Вселенную, влияя на различные космологические процессы. Однако на сегодняшний день физические механизмы, лежащие в основе генерации этих полей, остаются малоизученными. Недавно исследователи из Университета Макгилла и ETH Zurich описали новый механизм, который может привести к генерации космологических магнитных полей. Этот механизм, описанный в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, включает в себя (псевдоскалярное) квантовое поле, которое может привести к существованию сверхлегкой темной материи, состоящей из частиц с чрезвычайно малой массой, которые очень слабо взаимодействуют с обычной материей.
|
|
|
|
"Доказательства наличия крошечных, очень однородных магнитных полей во Вселенной, простирающихся на межгалактические расстояния, были собраны довольно давно", - рассказали Роберт Бранденбергер и Юрг Фролих, соавторы статьи вместе с Хао Цзяо Phys.org. "Долгое время происхождение этих полей оставалось загадкой. Наша недавняя статья основана на идеях, описанных в более ранних работах, опубликованных в 1997, 2000 и 2012 годах".
|
|
|
|
Бранденбергер уже много лет изучает явления так называемого параметрического резонанса. Эти явления, первоначально открытые в классической механике, влекут за собой экспоненциальный рост полей, связанных с источником колебаний.
|
|
|
|
|
|
|
"В свете недавнего интереса к сверхлегкой темной материи, возникающей из псевдоскалярного поля, так называемого аксиона, который когерентно колеблется в пространстве и связан с электромагнитным полем, естественно ожидать, что она может быть источником роста электромагнитных полей", - сказали Бранденбергер и Фролих.
|
|
|
|
"Мы сразу поняли, что существует очень эффективный канал псевдотахионного резонанса, ведущий к усилению длинноволновых мод электромагнитного поля, что приведет к созданию крошечных очень однородных магнитных полей в межгалактических масштабах. Нетрудно оценить эффект по порядку величины и доказать, что можно генерировать магнитные поля, объясняющие существующие наблюдения."
|
|
Связь аксионной темной материи с космологическими магнитными полями
|
|
|
|
В своей статье Бранденбергер, Фролих и их коллега Хао Цзяо исследуют связь между аксионной темной материей и космологическими магнитными полями. Основная цель их исследования - определить механизм, объясняющий генерацию космологических магнитных полей, не полагаясь на сугубо гипотетические предположения относительно новой, плохо изученной физики самой ранней Вселенной.
|
|
|
|
Авторы рассматривают процессы во Вселенной после так называемой рекомбинации - периода примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, когда Вселенная стала достаточно холодной для того, чтобы электроны и ядра могли объединиться в нейтральные атомы. Теория предсказывает, что после рекомбинации свет и материя больше не связаны тесно, так что магнитные поля могут сохраняться очень долго.
|
|
|
|
Авторы используют термин взаимодействия, хорошо известный в аксионной электродинамике, связывающий псевдоскалярное аксионное поле с электромагнитным полем. Затем они показывают, что этот элемент взаимодействия может привести к росту магнитных полей, возникающих в осциллирующем аксионном поле и сохраняющихся до настоящего времени.
|
|
|
|
"Доказательства существования темной материи, собранные с помощью различных астрономических зондов, на наш взгляд, убедительны", - пояснили Бранденбергер и Фролих.
|
|
|
|
- Однако в настоящее время никто не знает, из чего состоит темная материя. В нашей недавней статье мы предполагаем, что он "сверхлегкий", точнее, что он генерируется псевдоскалярным аксионным полем с очень малой массой, которое во время рекомбинации когерентно колебалось по всей Вселенной (с наложением небольших флуктуаций, которые вызывают формирование структуры во Вселенной). Это вполне стандартное предположение."
|
|
|
|
Предполагается, что аксионное поле связано с электромагнетизмом посредством хорошо известного термина взаимодействия. Авторы представляют расчеты, показывающие, что когерентные колебания аксионного поля вызывают псевдотахионную нестабильность в электромагнитном поле, что приводит к быстрому росту магнитных полей.
|
|
|
|
В рамках своего исследования Бранденбергер, Фролих и Хао Цзяо сравнивают свои теоретические прогнозы с существующими астрономическими наблюдениями и более ранними предложениями. Они утверждают, что "до нашей работы считалось очень маловероятным, что магнитные поля космологических масштабов (масштабов, превышающих масштабы скоплений галактик), сохранившиеся до настоящего времени, генерируются в более поздние периоды.
|
|
|
|
В данном контексте "позднее" означает: после рекомбинации, в течение времени, когда возникло космическое микроволновое фоновое излучение. В предшествующей нашей работе предполагалось, что потребуется новая физика, применимая к очень ранней Вселенной (например, на ранней стадии космической инфляции). Наш механизм ставит это предположение под сомнение".
|
|
|
|
Хотя результаты исследования команды кажутся очень многообещающими, подробные аспекты их механизма все еще нуждаются в более точном понимании.
|
|
|
|
"Например, нам нужно изучить, как магнитные поля, генерируемые в соответствии с нашим механизмом, оказывают обратное воздействие на темную материю", - сказали Бранденбергер и Фролих.
|
|
|
|
"Важно определить, какая доля начальной плотности энергии темной материи преобразуется в плотность электромагнитной энергии. В нашей работе мы фокусируемся на эволюции полей после периода рекомбинации, когда плазменные эффекты (проводимость Вселенной) достаточно малы, чтобы их можно было игнорировать.
|
|
|
|
"Но генерация магнитных полей перед рекомбинацией, когда плазменные эффекты имеют первостепенное значение, также должна быть изучена более глубоко. Эта конкретная проблема и различные подробные аспекты нашего предложения могут потребовать численного моделирования, которое могли бы провести студенты Университета Макгилла и ETH Zurich".
|
|
|
|
Очень интересное направление работы, впервые начатое Хао Цзяо, касается применения предложенного командой механизма генерации электромагнитного излучения после рекомбинации для понимания того, как образуются сверхмассивные черные дыры. Это крупнейшие из существующих черных дыр, масса которых составляет от сотен тысяч до миллиардов солнечных масс, расположенные в центре большинства массивных галактик.
|
|
|
|
"Главной загадкой в космологии является происхождение большого количества кандидатов в черные дыры, которые наблюдались при больших красных смещениях", - добавил Бранденбергер. "Для того, чтобы материя коллапсировала в зародыш черной дыры, ей не разрешается фрагментироваться".
|
|
|
|
В последующей работе Бранденбергер и Хао Цзяо утверждают, что механизм, описанный в работе команды, может обеспечить достаточный поток фотонов Лаймана-Вернера для предотвращения фрагментации. Этот эффект, который, как известно, зависит от каскадирования энергии на более коротких длинах волн, может быть дополнительно изучен в будущих исследованиях.
|
|
|
|
Источник
|
