01 февруари 2023
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Вселената може да се оформя от магнетизма. Дали това ще направи тъмната материя излишна?

Идеята, че магнетизмът е помогнал за оформянето на Вселената, е отхвърляна от учените в продължение на десетилетия, но сега нови експерименти с плазма, която е по-гореща от Слънцето, подтикват към преосмисляне.

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 24 октомври 2022 в 00:01 76260
Илюстрация, създадена с помощта на AI Dream от НаукаOFFNews

Съоръжението NIF (National Ignition Facility) е построено, за да се изследва възможността за използване на ядрения синтез, който обещава неограничена чиста енергия.

И малко са местата на Земята, където условията са толкова екстремни, колкото тук. В сърцето на съоръжението 192 лазера са насочени към златен цилиндър с размер на батерия АА. Когато лъчите се съберат, температурата в тестовата камера се повишава до 100 милиона градуса по Целзий, което е повече от температурата в центъра на слънцето.

Но по-рано тази година изследователи обявяват, че мощните лазери са насочени и към друг вид голям въпрос - какво е оформило Вселената?

Космосът е красиво място. В най-големите мащаби в пространството е изтъкана огромна мрежа от материя. Ако увеличите мащаба, ще видите как галактиките се струпват в раздути облаци, а самите галактики са с удивително разнообразие от форми, включително елегантни спирали като тази на нашия Млечен път.

В продължение на десетилетия се смяташе, че само гравитацията може да извая такива чудеса. Сега редица интригуващи галактически наблюдения и експерименти с лазерни лъчи дават индикации, че може би погрешно сме отхвърлили влиянието на друга сила.

Магнетизмът винаги е бил смятан за твърде слаб, за да бъде космически скулптор. Но тези, които стоят зад последните резултати, твърдят, че в бялата топлина на изпитвателната камера са зърнали как тази забравена сила може да бъде турбокомпресирана. Ако това е така, може би ще се наложи да намерим ново място за магнетизма, наред с гравитацията, в представата ни за това как космосът се оформил такъв, какъвто го познаваме.

Това, което знаем за гравитацията и структурата на Вселената, започва да се формира почти по едно и също време. В първите десетилетия на 20-и век астрономи като Едуин Хъбъл започват да наблюдават реалните мащаби и структура на космоса. По същото време Алберт Айнщайн публикува своята монументална теория на гравитацията - Общата теория на относителността. Първоначално теорията сякаш пасва на наблюденията като ръкавица и затова учените смятат, че структурата на Вселената трябва да се дължи единствено на гравитацията.

Но с усъвършенстването на наблюденията се появяват несъответствия.

Едно от най-известните се появява през 30-те години на ХХ век, когато астрономът Фриц Цвики (между впрочем роден в България, нощвейцарец и най-креативният и ексцентричен учен в астрофизиката) показва, че галактиките в един куп се движат толкова бързо, че би трябвало да се разлетят, вместо да са хванати в орбита една около друга. Той предположи, че там трябва да съществува някаква форма на "dunkle Materie", или тъмна материя - нещо, което не можем да видим, но което генерира допълнителна гравитация, за да помогне на клъстера да се задържи заедно. От този момент нататък тъмната материя се превръща в основна опора за теоретиците на гравитацията, въпреки че никой никога не я е откривал директно.

Предусилватели, които усилват лазерните лъчи в National Ignition Facility. В целевата камера на Националната запалителна инсталация температурите могат да достигнат тези в центъра на слънцето. Кредит: LLNL/Damien Jemison

В средата на 20-ти век физикът Ханес Алфвен (Hannes Alfvén) изказва различно мнение за това какво формира Вселената.

Гравитацията се е наложила още в началото, тъй като, въпреки че е сравнително слаба сила, тя действа на огромни разстояния и привлича цялата материя. Магнетизмът не присъства в списъка, тъй като е по-ограничена сила, която въздейства само на електрически заредени частици.

Алфвен обаче посочва, че голяма част от нещата във Вселената са в състояние на материята, наречено плазма - газ, съставен от заредени частици. Той предполага, че силата, която магнетизмът упражнява върху плазмата, би трябвало да е поне сравнима с ефекта на гравитацията върху другата материя. Той смята, че магнитните полета трябва да играят важна - може би дори доминираща - роля в оформянето на космоса.

Съмишлениците на Алфвен започват да разработват хипотетични решения, основани на магнетизма, на няколко космически загадки, включително как спиралните галактики придобиват формата си.

Но за тези, които са подкрепяли магнетизма, винаги е имало два големи проблема. Първо, трудно е било да се провери идеята, тъй като по онова време не е имало практически начин за наблюдение на магнитните полета във Вселената. Второ, и по-съществено, магнитното поле би трябвало да придобие изключителна сила, за да играе роля в оформянето на галактиките, а никой не е имал представа как може да се образува достатъчно силно поле.

Спиралната галактика M51. Кредит: NASA

Как се създават магнитните полета

За да се създаде магнитно поле, е необходимо първо динамо, което представлява въртяща се област от зареден, електропроводим материал.

Именно това се случва във вътрешността на Земята: циркулира течен метал, за да се създаде магнитното поле, което заобикаля нашата планета.

Динамо, изградено от плазма, със сигурност би могло да се образува в ранната Вселена. Проблемът е, че всяко такова динамо би било сравнително малко и би генерирало магнитни полета, които са твърде слаби, за да могат реално да оформят галактиката. Нещо би трябвало по някакъв начин да усили многократно тези зараждащи се полета - а никой няма разумни предложения как би могло да се случи това.

Споровете за това каква роля е играл магнетизмът в оформянето на космоса, ако изобщо е играл такава, продължават с десетилетия.

Но през 80-те години на ХХ век, без да има отговор на тези два проблема, магнетизмът бе обявен за загубен. Гравитацията наистина е била единственият истински скулптор на Вселената.

"Космическият магнетизъм обикновено е последният физически механизъм, за който някой говори", коментира астрономът Енрике Лопес Родригес (Enrique Lopez Rodriguez) от Станфордския университет в Калифорния.

Това не означава, че гравитацията може да обясни всеки детайл от структурата на Вселената. Една от загадките е свързана с галактическите купове (клъстери), които освен самите галактики и (вероятно) част от тъмната материя, съдържат относително празни области, наречени вътрешноклъстерна среда, в която има само плазма.

Тази плазма излъчва рентгенови лъчи, които може да се измерят от Земята и по този начин да се заключи за нейната температура. От края на 90-те години на миналия век астрономите откриват, че плазмата във вътрешността на галактическите купове е необяснимо гореща - 10 милиона градуса по Целзий. Според гравитационната физика газът би трябвало отдавна да е излъчил тази топлина.

Откриване на магнитни полета в космоса

Въпреки че тази загадка не насочи веднага астрономите към магнетизма, някои изследователи напоследък се питат дали не сме прибързали напълно да отхвърлим тази сила от космологията.

Едно нещо, което се е променило от 80-те години на миналия век насам, е способността ни да търсим магнитни полета във Вселената. Да вземем за пример инструмента на НАСА "Стратосферна обсерватория за инфрачервена астрономия" (SOFIA - Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) - инфрачервен телескоп, разположен в преоборудван самолет джъмбо джет, който може да се издига високо в атмосферата. Той се изкачва над водните пари във въздуха, които поглъщат инфрачервената светлина и пречат на повечето инфрачервени наблюдения, извършвани от земята.

Телескопът SOFIA на НАСА, разположен в самолет. Стратосферната обсерватория за инфрачервена астрономия се издига над високата пустиня на Южна Калифорния по време на изпитателен полет през 2010 г. в подготовка за мисиите си. Кредит: NASA/Jim Ross

Когато космическите прахови частици попаднат в магнитно поле, те се подреждат като ограда, която поляризира преминаващата през тях инфрачервена светлина.

Лопес Родригес случайно започва работа със SOFIA преди пет години, когато изследователите въвеждат в експлоатация нов инструмент, който може да улови тези сигнали и така да разкрие магнитните полета.

Той им предлага да наблюдават спиралната галактика NGC 1068, за чието ядро е известно, че е източник на поляризирана инфрачервена светлина. През първите 30 минути от наблюдението те виждат нещо необикновено: магнитното поле ясно следва спиралния модел на галактиката (на снимката по-долу).

Гравитацията не е предвиждала подобно нещо. "Помислих си: "Ха, какво става тук?", разказва Лопес Родригес.

За да разберат дали това е случайност, те разглеждат 20 други близки галактики.

"Досега във всяка една от тях има широкомащабно магнитно поле, което пронизва цялата галактика", отбелязва Лопес Родригес.

И всички тези полета следват формата на спиралните ръкави.

Магнитните полета в NGC 1068, или M77, са показани като направляващи линии върху композитно изображение на галактиката във видима светлина и рентгеново лъчение, получено от космическия телескоп Хъбъл, Ядрения спектроскопски масив и Sloan Digital Sky Survey. Магнитните полета се изравняват по цялата дължина на масивните спирални ръкави ? с диаметър 24 000 светлинни години (0,8 килопарсека), което означава, че гравитационните сили, които са създали формата на галактиката, компресират и нейното магнитно поле. Това подкрепя водещата теория за начина, по който спиралните ръкави са принудени да придобият емблематичната си форма, известна като "теория на вълната на плътността". SOFIA изследва галактиката с помощта на далечна инфрачервена светлина (89 микрона), за да разкрие аспекти на магнитните ѝ полета, които предишните наблюдения с телескопи за видима и радио честота на светлината не можаха да открият. Кредит: NASA/SOFIA; NASA/JPL-Caltech/Roma Tre Univ.

Други телескопи са наблюдавали подобни неща. През 2020 г. Йелена Щайн (Yelena Stein), сега в Германския аерокосмически център в Кьолн, и колегите ѝ използват Very Large Array - радиотелескоп в Ню Мексико - за да изследват спиралната галактика NGC 4217. Те откриват широкомащабно магнитно поле, пронизващо галактиката.

Сами по себе си тези наблюдения не са убедителни. Магнитното поле може да е по-скоро страничен ефект на спиралната форма, отколкото нейна причина. А причините за изключването на магнитните полета като космически скулптори бяха не само, че не сме ги виждали, но и че не разбираме как те могат да бъдат достатъчно усилени.

Турбулентно динамо

Сега обаче и това второ възражение може да се разпадне.

Още от средата на 50-те години на миналия век, когато геофизикът Станислав Брагински (Stanislav Braginsky) записва уравненията си за движението на флуиди в плазма, изследователите се интересуват от ролята на турбулентността - хаотични промени в налягането и потока - при генерирането на магнитно поле.

Една от възникналите идеи е, че турбулентността в плазмата може да повлияе на свойствата на генерираното магнитно поле.

Турбулентността по своята същност е сложна и до появата на съвременните компютърни симулации беше невъзможно да се разбере какви ефекти може да има. Но те показват, че "турбулентното динамо", както е известно, би трябвало да увеличи значително силата на магнитното поле.

Но тези ефекти биха могли да се наблюдават лесно само в плазма, нагрята до екстремни температури - такава, каквато е била в ранната Вселена - което означава, че тази хипотеза е трудна за експериментална проверка.

"В известен смисъл това е Свещеният граал на физиката на плазмата", заявява Йена Майнеке (Jena Meinecke) от Оксфордския университет, която от години изследва турбулентното динамо в рамките на международен екип от физици на плазмата.

Появата на големите лазерни лаборатории е късмет, защото те са единствените места, способни да създадат достатъчно гореща плазма, за да се доближат до условията, при които може да се изследва турбулентното динамо.

Доказателства за усилване на магнитното поле

Екипът на Майнеке, ръководен от Джанлука Грегори (Gianluca Gregori) от Оксфордския университет, извършва първия си лазерен експеримент през 2018 г.

В лазерния комплекс "Омега" в Университета в Рочестър, Ню Йорк, изследователите създават малка "гора" от мишени, изработени от решетки от фолио, които по техни изчисления ще нарушат плазмата по турбулентен начин. След това лазерът поразява капсула с деутерий, по-тежка форма на водорода, и я превръща в плазма, която, благодарение на решетките от фолио наблизо, се завихря с турбуленция. Изследователите наблюдават бързо усилване на магнитното поле на плазмата - първият в историята поглед към турбулентно динамо в действие.

Схема на лазерния комплекс "Омега" в Университета в Рочестър. (1) Лазерни пушки,  (2) Усилватели, (3) Захранване, (4) Експериментална система, (5) Мишена. Системата OMEGA доставя импулси от лазерна енергия към целите, за да измери произтичащите ядрени и флуидни динамични събития. 60-те лазерни лъча на OMEGA фокусират до 30 000 джаула енергия върху мишена с диаметър по-малък от 1 милиметър за приблизително една милиардна от секундата. Кредит: Laboratory for Laser Energetics, University of Rochester

Окуражени, изследователите искат да видят ефекта в пълния му блясък, което означава да използват по-мощен лазер, за да задвижат турбуленцията още по-силно. Това ги отвежда до най-мощния лазерен апарат в света - Националната запалителна инсталация NIF (National Ignition Facility) в Националната лаборатория "Лорънс Ливърмор" в Калифорния, която разполага със 192 лазерни лъча. Рядко се случва учените да получат време за работа с лазера за експерименти, различни от термоядрен синтез, но екипът на Майнеке получава разрешение и започва работа.

По-късно през 2018 г. изследователите провеждат експеримент, подобен на този в Омега, наблюдавайки с рентгенови камери какво се случва. Очакват рязко повишаване на температурата на плазмата, но вместо това камерите заснемат мозайка от горещи и студени петна.

"Беше като да гледаш далматинец", разказва Майнеке. "Показах го на екипа и те казаха: "Няма начин това да е резултатът".

Но експериментът бил повторен и винаги се получавало същото.

Именно тогава се появява идеята. Ефектът на турбулентното динамо, който изследователите са създали, е бил толкова силен, че полученото магнитно поле е задържало частици в определени области на плазмата. Това е било достатъчно, за да намали потока на топлина 100 пъти, създавайки горещите и студените участъци. Екипът е прекарал години в двойна и тройна проверка на резултатите и ги е оповестил едва преди няколко месеца.

Според Патрик Даймънд (Patrick Diamond), занимаващ се с физика на плазмата в Калифорнийския университет в Сан Диего, това е "значителна стъпка напред". Той изтъква, че в неговата област - ядреният синтез - се разчита на силни магнитни полета за улавяне на енергия и топлина, но това става с помощта на силни и равномерни полета.

"Това е първият случай, в който се наблюдава намаляване на топлинната дифузия в резултат на хаотично или турбулентно магнитно поле", разказва Даймънд.

Галактически куп Abell 115 върху хаотичен фон. Кредит: CU Boulder’s Center for Astrophysics and Space Astronomy/Giannandrea Inchingolo

Тази неочаквана способност на магнитните полета да задържат топлина може да разреши загадката на необяснимо горещата вътрешна среда в галактичните купове. Майнеке и нейният екип предполагат, че магнитното поле, създадено от турбулентно динамо, може да задържа плазмата на място и да потиска разпространението на топлина в продължение на милиарди години.

"Магнитното поле съдържа достатъчно енергия, за да може да подскаже на материята как да се движи", посочва Грегори - точно както го прави гравитацията. Всъщност, когато за пръв път виждат тази подобна на далматинска шарка от горещи и студени петна в турбулентната плазма, те са поразени от това колко прилича на структурите, които се наблюдават в галактическите купове.

Може ли магнетизмът да замени тъмната материя?

Всичко това вдъхва нов живот на аргумента на Алфвен, че магнетизмът е помогнал за извайването на Вселената.

Изкушаващо е да се запитаме дали това не би могло дори да премахне необходимостта от тъмна материя. Това обаче е твърде далечна стъпка за Щайн.

"Мисля, че не става дума за това, че се нуждаем от по-малко тъмна материя или повече тъмна материя, а просто за това, че трябва да разберем как работят тези процеси", разказва Щайн.

С други думи, астрономите трябва да започнат да се отнасят много по-сериозно към магнитните полета.

Това е предизвикателство, което Лопес Родригес е готов да приеме. Той също е скептичен, че магнитните полета в спиралните галактики са достатъчно силни, за да заместят тъмната материя, но истината е, че никой не знае какви модифициращи ефекти могат да имат те. Първото му проучване е защо магнитните полета изглежда повсеместно следват спиралния модел на приемащите ги галактики.

Оформянето на спиралните галактики с помощта на гравитацията се обяснява с т. нар. теория на вълните на плътността (density wave theory). Тя гласи, че докато материята обикаля центъра на галактиката, малко по-плътни области забавят други участъци от преминаващата материя, като увеличават плътността на първата област, предизвикват образуването на звезди и очертават спиралните ръкави. Единственото нещо, което тя не предсказва, е защо широкомащабното магнитно поле следва тази структура толкова точно, но това не е така и за никоя теория за динамото.

"И все пак ние го виждаме навсякъде", изтъква Лопес Родригес.

За да разбере какво се случва, той скоро ще започне тригодишна програма за компютърно моделиране, като ще прави симулации на формирането на галактики със и без полета, за да види какво ще се получи. Ако всичко върви по план, той най-накрая ще получи някои отговори и може би най-накрая ще разберем как се е оформил космосът.

Справка: 

Tzeferacos, P., Rigby, A., Bott, A. et al. Laboratory evidence of dynamo amplification of magnetic fields in a turbulent plasma. Nat Commun 9, 591 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-02953-2

Strong suppression of heat conduction in a laboratory replica of galaxy-cluster turbulent plasmas
Jena Meinecke, Petros Tzeferacos, James S. Ross, Archie F. A. Bott, Scott Feister, Hye-Sook Park, Anthony R. BellRoger Blandford, Richard L. Berger[...]Gianluca Gregori
SCIENCE ADVANCES, 9 Mar 2022, Vol 8, Issue 10
DOI: 10.1126/sciadv.abj6799

Източник: Did magnetism shape the universe? An epic experiment suggests it did, Stuart Clark, New Scientist


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Физика
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.