Ученые нашлиUnexpectedный ключ к тому, почему расширение Вселенной не сходится.

Известно, что Вселенная расширяется, но ученые серьезно расходятся во мнениях относительно скорости этого расширения.

Два из лучших способов измерения скорости расширения Вселенной, называемой постоянной Хаббла, дают ответы, которые упрямо не совпадают. Это представляет собой серьезную проблему в современной космологии, известную как напряжение Хаббла.

Мы решили проверить, может ли идея, изначально предложенная для решения другой космической загадки — происхождения космических магнитных полей — помочь разгадать проблему напряжения Хаббла.

В недавней опубликованной работе мы исследуем, могут ли чрезвычайно слабые магнитные поля, оставшиеся с самых ранних моментов после Большого взрыва, помочь понять напряжение Хаббла, а также дать представление о физике при энергиях, далеко превосходящих всё, что можно получить на Земле.

Что такое постоянная Хаббла?

Астрономы используют постоянную Хаббла как меру того, с какой скоростью расширяется Вселенная. Она названа в честь американского астронома Эдвина Хаббла, который впервые обнаружил расширение Вселенной.

Существует два концептуально разных подхода к измерению постоянной Хаббла. Первый — косвенный, основанный на предсказаниях нашей космологической модели, подстроенной под паттерны в реликтовом излучении — слабом послесвете Большого взрыва.

Телескопы, такие как космический телескоп Планк, измеряли крошечные флуктуации в этом древнем свете и предсказывают значение постоянной Хаббла примерно 67 километров в секунду на мегапарсек (км/с/Мпс). Парсек — единица расстояния в астрономии, равная примерно 3,26 световых года, или 30,9 триллиона километров. Мегапарсек — миллион парсеков.

Второй метод более прямой, похожий на тот, который использовал Хаббл в 1920‑е годы, когда впервые показал, что Вселенная расширяется.

Он измеряет, с какой скоростью далекие галактики удаляются от нашей родной галактики, Млечного Пути, наблюдая яркость взрывов сверхновых в этих отдаленных галактиках.

Сверхновые типа Ia считаются «стандартными свечами», потому что их светимость везде одинакова. Это означает, что мы можем оценить их расстояние по тому, насколько тускло они выглядят для нас.

Чтобы определить их истинную яркость, астрономы используют другие стандартные свечи, такие как цефеиды, в ближайших галактиках. Эти наблюдения, выполненные с помощью космических телескопов Хаббл и Джеймс Уэбб, дают более высокое значение около 73 км/с/Мпс.

Эта разница между двумя измерениями называется напряжением Хаббла. Разница между 67 и 73 может показаться небольшой, но она статистически очень значима. Если оба метода верны, то наша стандартная космологическая модель должна упускать что‑то важное.

Откуда взялись космические магнитные поля?

Магнитные поля повсюду во Вселенной. Планеты и звезды генерируют собственные поля, но возникают пробелы в понимании, когда мы пытаемся объяснить магнитные поля гораздо больших масштабов, пронизывающие галактики и скопления, а возможно, даже космические пустоты.

Одна из давно изучаемых возможностей заключается в том, что магнетизм возник еще на очень ранней стадии Вселенной, задолго до образования первых звезд или галактик. Эти так называемые первичные магнитные поля изучались десятилетиями, и поиск их отпечатков в реликтовом излучении и других данных предлагает способ заглянуть в раннюю Вселенную и экстремальные энергии, которые могли породить эти поля.

В 2011 году двое из нас (Карстен и Том) указали, что первичные магнитные поля могли влиять на рекомбинацию — момент, когда электроны и протоны впервые комбинировались с образованием нейтрального водорода — и Вселенная стала прозрачной. Первый свет, который с того момента мог свободно распространяться, — это то, что мы наблюдаем сейчас как реликтовое излучение.

Если первичные магнитные поля присутствовали, они ускоряли бы рекомбинацию, воздействуя на заряженные частицы и делая материю слегка скомбинированной. В местах, где частицы более сконцентрированы, им легче встречаться и образовывать водород.

Сдвиг момента, когда Вселенная становится прозрачной, изменяет размер наблюдаемых структур в реликтовом излучении. Это фактически меняет космическую «линейку», используемую для измерения расстояний, и, в свою очередь, значение постоянной Хаббла, выводимое из модели, что помогает ослабить напряжение Хаббла. Двое из нас (Карстен и Левон) продемонстрировали этот эффект в 2020 году с использованием упрощенной модели рекомбинации.

Результаты исследований

В нашей новой статье мы использовали первые полноценные трехмерные симуляции первичной плазмы с внедренными магнитными полями, отслеживая, как образуется водород.

Мы использовали историю образования водорода, полученную в этих симуляциях, чтобы вычислить предсказания того, как должно выглядеть реликтовое излучение, если бы существовали первичные магнитные поля, и сравнили эти предсказания с наблюдениями фона.

Реликтовое излучение чрезвычайно чувствительно к изменениям рекомбинации. Если бы первичные магнитные поля изменяли его так, что это противоречило бы наблюдениям, идея могла бы быть отвергнута. Вместо этого данные показали, что наше предложение остается жизнеспособным.

По разным сочетаниям наборов данных мы находим последовательное, умеренное предпочитание первичных магнитных полей, в диапазоне примерно от 1,5 до трех стандартных отклонений. Это пока не открытие, но значимая подсказка об их существовании.

Не менее важно, что величины полей, предпочтительные данными — примерно пять-десять пикоГаусс сегодня — близки к тому, что потребовалось бы, чтобы магнитные поля галактик и скоплений возникли только из первичных семян. ПикоГаусс — единица измерения силы магнитных полей.

Помимо помощи в смягчении напряжения Хаббла, подтверждение существования первичных магнитных полей открыло бы новое окно в понимание того, какой была Вселенная всего через доли секунды после начала, возможно, давая представление о таких важных событиях, как сам Большой взрыв.

Наши результаты показывают, что предложение выдержало самый детальный доступный сегодня тест и задает четкие цели для будущих наблюдений. В ближайшие несколько лет мы узнаем, помогли ли крошечные магнитные поля от рассвета времени сформировать Вселенную, которую мы видим сегодня, и содержат ли они ключ к разрешению напряжения Хаббла.