Добре известно е, че Вселената се разширява, но сред учените няма единодушие относно това колко бързо се случва това. Двата най-добри метода за измерване на скоростта на космическото разширяване – т.нар. „константа на Хъбъл“ дават резултати, които упорито се разминават. Това създава сериозен проблем за съвременната космология, известен като „напрежение на Хъбъл“.

Изследователите си зададоха въпроса: може ли идеята, първоначално предложена за обяснение на друга космическа загадка (произхода на космическите магнитни полета) да помогне за разгадаването на тайната на „напрежението на Хъбъл“. Наскоро публикувано проучване изследва дали изключително слабите магнитни полета, останали от най-ранните мигове след Големия взрив, могат да помогнат за разгадаването на „напрежението на Хъбъл“ и едновременно с това да отворят прозорец към физиката при енергии, недостижими на Земята.

Константата и напрежението на Хъбъл

Астрономите използват „константата на Хъбъл“ като мярка за скоростта на разширяване на Вселената. Тя е кръстена в чест на американския астроном Едвин Хъбъл, който пръв откри, че Вселената се разширява. Съществуват два концептуално различни подхода за измерване на „константата на Хъбъл“. Първият е косвен, основан на предсказанията на космологичен модел, съобразен със структурата на реликтовото излъчване – слабото остатъчно излъчване от Големия взрив.

Телескопи като „Планк“ измериха миниатюрните колебания на тази древна светлина, като предсказаха константата на Хъбъл от около 67 км/с на мегапарсек. Парсекът е единица за разстояние в астрономията, равна на приблизително 3,26 светлинни години или 30,9 трилиона километра. Мегапарсекът е един милион парсека.

Вторият метод е по-пряк, подобен на този, който Хъбъл е използвал през 1920-те години, когато за първи път е показал, че Вселената се разширява. Той измерва колко бързо далечните галактики се отдалечават от нашата галактика Млечният път, като наблюдава яркостта на взривовете на свръхнови в тези далечни галактики.

Свръхновите от тип Ia са известни като „стандартни свещи“, тъй като тяхната светимост е еднаква навсякъде. Това позволява да се прецени разстоянието до тях според това колко бледи ни се струват. За да определят истинската им яркост, астрономите използват други стандартни свещи, например цефеиди в близките галактики. Тези наблюдения, извършени с помощта на космическите телескопи „Хъбъл“ и „Джеймс Уеб“, дават по-висока стойност – около 73 км/с/Mpc. Разликата между двете измервания се нарича „напрежение на Хъбъл“. Разликата между 67 и 73 може да изглежда малка, но статистически тя е изключително значима. Ако и двата метода са верни, това означава, че в нашия стандартен космологичен модел е пропуснато нещо важно.

Как се образуват космическите магнитни полета

Магнитните полета са навсякъде във Вселената. Планетите и звездите генерират свои собствени полета, но възникват пропуски в разбирането ни, когато се опитваме да обясним магнитните полета с много по-голям мащаб, които проникват през галактиките и техните купове, а може би и през космическите празнини.

Една от отдавна изследваните хипотези е, че магнетизмът е възникнал за първи път в много ранната Вселена, много преди образуването на първите звезди и галактики. Тези така наречени първични магнитни полета се изучават от десетилетия, а търсенето на следи от тях в реликтовото излъчване и други данни позволява да се изследва ранната Вселена и екстремните енергии, които биха могли да породят тези полета.

През 2011 година двама от авторите на проучването посочиха, че първичните магнитни полета биха повлияли на рекомбинацията (моментът, в който електрони и протони за първи път се съединиха, образувайки неутрален водород) и Вселената от непрозрачна е станала прозрачна. Първата светлина, която от този момент нататък може да се разпространява свободно, е това, което днес наблюдаваме като реликтово излъчване. Ако първичните магнитни полета са съществували, те биха ускорили рекомбинацията, като са въздействали върху заредените частици и са направили материята леко на бучки. Там, където има повече частици, те се срещат по-често и образуват водород.

Изместването на момента, в който Вселената става прозрачна, променя размера на наблюдаваните структури в реликтовото излъчване. Това на практика променя космическата „линийка“, използвана за измерване на разстоянията, и, от своя страна, стойността на „константата на Хъбъл“, изведена от модела, като по този начин спомага за намаляване на „напрежението на Хъбъл“.

Пробив: какво са открили учените

В новото проучване учените са използвали първите пълни триизмерни симулации на първична плазма с вградени в нея магнитни полета, проследявайки образуването на водород. Те са използвали историята на образуването на водород, получена в тези симулации, за да изчислят как би трябвало да изглежда реликтовото излъчване при наличието на първични магнитни полета и проверихме тези предсказания спрямо данните от наблюденията.

Реликтовото излъчване е изключително чувствително към промени в рекомбинацията. Ако първичните магнитни полета го променяха по начин, който противоречеше на наблюденията, идеята би могла да бъде отхвърлена. Данните обаче показаха, че нашето предложение остава жизнеспособно.

При различни комбинации от набори от данни учените са открили устойчиво, умерено предпочитание в полза на първичните магнитни полета – от приблизително 1,5 до 3 стандартни отклонения. Това все още не е откритие, но е значителен намек за тяхното съществуване. Не по-малко важно е, че интензитетът на полетата, предпочитан от данните (около 5–10 пикогауса днес) е близък до този, който е необходим за възникването на магнитни полета в галактиките и техните купове изключително от първични „семена“. Пикогаусът е единица за измерване на интензитета на магнитното поле.

Освен че би помогнало за намаляване на напрежението, свързано с ефекта на „Хъбъл“, потвърждаването на първичните магнитни полета би отворило нов прозорец към това каква е била Вселената, когато е била на възраст само части от секундата, като вероятно би ни позволило да надникнем в такива важни събития като самия Голям взрив. Резултатите на учените показват, че хипотезата е издържала най-подробната към днешна дата проверка и дава ясни цели за бъдещи наблюдения. През следващите няколко години ще стане ясно дали миниатюрните магнитни полета от зората на времето са допринесли за формирането на Вселената, която наблюдаваме, и дали в тях се крие ключът към разрешаването на „напрежението на Хъбъл“.