Oamenii de știință au identificat un indiciu surprinzător care ar putea explica discrepanța persistentă în măsurarea vitezei de expansiune a universului. Câmpurile magnetice minuscule, formate în primele momente după Big Bang, ar putea modifica modul în care s-a format hidrogenul în universul timpuriu, influențând astfel radiația cosmică de fond și rata de expansiune dedusă din aceasta.
Câmpurile magnetice antice, provenind din momentele imediat următoare Marii Explozii, ar putea deține o cheie pentru unul dintre cele mai mari mistere ale cosmologiei: cât de rapid se extinde, de fapt, universul.
Este bine stabilit faptul că universul se extinde, dar există o divergență serioasă între oamenii de știință în privința vitezei cu care se întâmplă acest lucru. Două dintre cele mai precise metode de măsurare a constantei Hubble, care indică rata de expansiune cosmică, oferă rezultate constant în dezacord. Aceasta reprezintă o problemă majoră în cosmologia modernă, cunoscută sub numele de tensiunea Hubble.
Cu toate acestea, cercetătorii s-au întrebat dacă o idee propusă inițial pentru a rezolva un alt mister cosmic – originea câmpurilor magnetice cosmice – ar putea contribui la dezlegarea misterului tensiunii Hubble. Cercetările lor, publicate recent, explorează posibilitatea ca anumite câmpuri magnetice extrem de slabe, rămase de la cele mai timpurii momente după Big Bang, să ajute la clarificarea tensiunii Hubble, oferind totodată o perspectivă asupra fizicii la energii mult dincolo de ceea ce se poate atinge pe Pământ.
**Constanta Hubble și tensiunea acesteia**
Astronomii folosesc constanta Hubble ca o măsură a vitezei cu care se extinde universul. Aceasta poartă numele astronomului american Edwin Hubble, care a descoperit pentru prima dată că universul este în expansiune. Există două abordări conceptual diferite pentru măsurarea constantei Hubble.
Prima este indirectă, bazată pe predicțiile modelului nostru cosmologic, ajustat pentru a corespunde modelelor din radiația cosmică de fond, slabul ecou al Big Bang-ului. Telescoape precum Telescopul Spațial Planck au măsurat fluctuații minuscule în această lumină antică, prezicând o constantă Hubble de aproximativ 67 de kilometri pe secundă pe megaparsec (km/s/Mpc). Un parsec este o unitate de distanță utilizată în astronomie, egală cu aproximativ 3,26 ani lumină, sau 30,9 trilioane de kilometri. Un megaparsec este un milion de parseci.
A doua metodă este mai directă, similară celei folosite de Hubble în anii 1920, când a demonstrat pentru prima dată că universul se extinde. Aceasta măsoară cu ce viteză se îndepărtează galaxiile îndepărtate de galaxia noastră, Calea Lactee, prin observarea strălucirii exploziilor de supernove din aceste galaxii îndepărtate. Supernovele de tip Ia sunt cunoscute ca „lumânări standard” deoarece știm că luminozitatea lor este aceeași oriunde s-ar afla. Aceasta înseamnă că putem judeca distanța față de ele după cât de slabe apar. Pentru a determina strălucirea lor intrinsecă, astronomii folosesc alte lumânări standard, cum ar fi stelele Cepheide, în galaxiile apropiate. Aceste observații, care utilizează telescoapele spațiale Hubble și James Webb, oferă o valoare mai mare, în jur de 73 km/s/Mpc.
Această diferență între cele două măsurători se numește tensiunea Hubble. Diferența dintre 67 și 73 poate părea mică, dar este statistic foarte semnificativă. Dacă ambele metode sunt corecte, atunci modelul nostru standard de cosmologie trebuie să omită ceva important.
**De unde provind câmpurile magnetice cosmice?**
Câmpurile magnetice sunt omniprezente în univers. Planetele și stelele își generează propriile câmpuri, dar apar lacune în înțelegerea noastră atunci când încercăm să explicăm câmpurile magnetice la scară mult mai mare care străbat galaxiile și roiurile galactice, și posibil chiar vidurile cosmice.
O posibilitate studiată de mult timp este ca magnetismul să fi apărut pentru prima dată în universul foarte timpuriu, cu mult înainte de formarea primelor stele sau galaxii. Aceste așa-numite câmpuri magnetice primordiale au fost studiate timp de decenii, iar căutarea amprentelor lor în radiația cosmică de fond și în alte date oferă o modalitate de a explora universul timpuriu și energiile extreme care ar fi generat aceste câmpuri.
În 2011, doi dintre autori (Karsten și Tom) au subliniat că câmpurile magnetice primordiale ar influența recombinarea – momentul în care electronii și protonii s-au combinat pentru prima dată pentru a forma hidrogen neutru – și transformarea universului din opac în transparent. Prima lumină capabilă să călătorească liber de la acel moment încoace este ceea ce observăm acum ca radiație cosmică de fond. Dacă erau prezente, câmpurile magnetice primordiale ar fi accelerat recombinarea prin împingerea și tragerea particulelor încărcate, făcând materia ușor aglomerată. Unde particulele erau mai dense, aveau o probabilitate mai mare de a se întâlni și de a forma hidrogen.
Schimbarea momentului în care universul devine transparent modifică dimensiunea modelelor observate în radiația cosmică de fond. Acest lucru alterează efectiv rigla cosmică utilizată pentru a măsura distanțele și, implicit, valoarea constantei Hubble dedusă din model, ajutând la ameliorarea tensiunii Hubble. Doi dintre autori (Karsten și Levon) au demonstrat acest efect în 2020, utilizând un model simplificat de recombinare.
**Un moment de cotitură: Ce am descoperit**
În noua lor lucrare, cercetătorii au utilizat primele simulări complete tridimensionale ale plasmei primordiale cu câmpuri magnetice integrate, urmărind modul în care se formează hidrogenul. Au utilizat istoricul formării hidrogenului obținut din aceste simulări pentru a calcula predicții despre cum ar trebui să apară radiația cosmică de fond în prezența câmpurilor magnetice primordiale și au testat aceste predicții în raport cu observațiile fondului.
Radiația cosmică de fond este extraordinar de sensibilă la schimbările din procesul de recombinare. Dacă câmpurile magnetice primordiale ar fi modificat-o într-un mod care nu se potrivește cu observațiile, ideea ar fi putut fi respinsă. În schimb, datele au arătat că propunerea lor rămâne viabilă. Pe multiple combinații de seturi de date, se constată o preferință consistentă și moderată pentru câmpurile magnetice primordiale, variind de la aproximativ 1,5 la trei deviații standard. Acesta nu este încă un descoperire, ci un indiciu semnificativ că ele există.
La fel de important, intensitățile câmpurilor favorizate de date, de aproximativ cinci până la 10 pico-Gauss astăzi, sunt apropiate de ceea ce ar fi necesar pentru ca câmpurile magnetice ale galaxiilor și roiurilor să provină exclusiv din semințe primordiale. Un pico-Gauss este o unitate utilizată pentru măsurarea intensității câmpurilor magnetice. Pe lângă ameliorarea tensiunii Hubble, dacă câmpurile magnetice primordiale vor fi confirmate, acestea ar deschide o nouă fereastră către universul de la primele secunde, oferind poate o perspectivă asupra evenimentelor importante precum Marele Bang în sine. Rezultatele lor arată că propunerea supraviețuiește celui mai detaliat test disponibil astăzi și oferă ținte clare pentru observațiile viitoare.
În următorii câțiva ani, vom afla dacă câmpurile magnetice minuscule de la începuturile timpului au contribuit la modelarea universului pe care îl vedem astăzi și dacă acestea dețin cheia rezolvării tensiunii Hubble.