Ученые нашли возможную связь между одной из самых ранних загадок Вселенной и проблемой, которая десятилетиями не дает покоя космологам. Крошечные магнитные поля, возникшие вскоре после Большого взрыва, могли изменить процесс образования водорода в ранней Вселенной. В результате космический микроволновой фон мог выглядеть немного иначе, чем принято считать, а вместе с ним менялась бы и оценка скорости расширения Вселенной.

Эта идея может помочь объяснить так называемое напряжение Хаббла — устойчивое расхождение между двумя основными способами измерить постоянную Хаббла. Новое исследование основано на первых полноценных трехмерных симуляциях ранней плазмы с учетом первичных магнитных полей. Пока результаты не позволяют говорить об открытии, но дают намек на то, что такие поля действительно могли существовать, рассказывает Sciencedaily.com.

Вселенная расширяется с разной скоростью — в зависимости от метода

Постоянная Хаббла показывает, насколько быстро расширяется Вселенная. Сегодня существуют два принципиально разных способа определить ее значение, и они дают результаты, которые заметно расходятся.

Первый основан на космическом микроволновом фоне — древнем излучении, оставшемся после ранней стадии развития Вселенной. Космические телескопы, в том числе Planck, измеряют мельчайшие неоднородности этого излучения. Затем ученые используют стандартную космологическую модель, чтобы по ним восстановить параметры Вселенной и вычислить скорость ее расширения.

Этот подход дает значение около 67 км/с/Мпк.

Второй метод опирается на наблюдение непосредственно за удаленными галактиками. Астрономы определяют расстояние до них, в частности используя сверхновые типа Ia, которые служат своеобразными «стандартными свечами»: по их видимой яркости можно оценить расстояние до галактики.

Наблюдения с помощью телескопов Hubble и James Webb дают более высокое значение — около 73 км/с/Мпк.

Разница кажется небольшой, но статистически она достаточно значительна, чтобы поставить под вопрос полноту стандартной модели космологии. Если оба метода работают правильно, значит, в наших представлениях о Вселенной может отсутствовать какой-то важный элемент.

Магнитные поля могли изменить рождение водорода

Исследователи предположили, что таким элементом могли стать первичные магнитные поля — чрезвычайно слабые поля, оставшиеся с самых ранних этапов существования Вселенной.

Такие поля давно рассматриваются как возможный источник космического магнетизма. Сегодня магнитные поля наблюдаются в галактиках и скоплениях галактик, однако происхождение этих огромных структур остается не до конца понятным.

Если магнитные поля существовали уже в ранней Вселенной, они могли влиять на заряженные частицы в момент, когда формировался нейтральный водород.

Этот период называют рекомбинацией. Электроны и протоны начали объединяться в нейтральные атомы водорода, а Вселенная постепенно стала прозрачной для света. Излучение, которое смогло свободно распространяться после этого события, сегодня наблюдается как космический микроволновой фон.

Магнитные поля могли немного ускорить рекомбинацию. Они воздействовали бы на заряженные частицы и создавали небольшие изменения в распределении вещества. Там, где частицы оказывались чуть плотнее, вероятность их столкновений и образования водорода возрастала.

Это, в свою очередь, могло изменить момент, когда Вселенная стала прозрачной.

Изменился бы и «космический метр»

На первый взгляд такая поправка кажется слишком незначительной, чтобы иметь отношение к современной космологии. Но космический микроволновой фон чрезвычайно чувствителен к изменениям в процессе рекомбинации.

Если момент перехода Вселенной в прозрачное состояние немного сдвинулся, изменился бы и характер наблюдаемых в микроволновом фоне структур. А эти структуры используются как своего рода космическая линейка для измерения расстояний и восстановления параметров Вселенной.

В итоге небольшое влияние магнитного поля на раннюю плазму могло изменить значение постоянной Хаббла, которое ученые получают из космического микроволнового фона.

Именно поэтому первичные магнитные поля потенциально способны уменьшить разрыв между значениями 67 и 73 км/с/Мпк.

Новые симуляции впервые проверили идею подробно

Ранее исследователи уже предполагали, что первичные магнитные поля могут влиять на рекомбинацию. В 2020 году этот эффект удалось продемонстрировать с помощью упрощенной модели.

Теперь ученые провели гораздо более подробное исследование. Они создали первые полноценные трехмерные симуляции ранней плазмы с магнитными полями и проследили, как в таких условиях формируется водород.

Затем полученную историю образования водорода использовали для моделирования того, как выглядел бы космический микроволновой фон при наличии первичных магнитных полей. Результаты сравнили с реальными наблюдениями.

И здесь идея не столкнулась с очевидным противоречием: смоделированные эффекты согласуются с имеющимися данными.

При разных комбинациях наблюдательных данных исследователи получили слабое, но устойчивое предпочтение сценария с первичными магнитными полями. Статистическая значимость эффекта составила примерно от 1,5 до 3 сигм.

Это важно, но недостаточно для объявления открытия. В физике результат обычно требует гораздо более высокой статистической уверенности, прежде чем гипотеза считается подтвержденной.

Если поля существуют, они могут быть следом самой ранней Вселенной

Полученная оценка сегодняшней силы предполагаемых магнитных полей составляет примерно 5–10 пико-Гаусс. По расчетам авторов, это близко к значениям, которые могли бы быть достаточными для формирования магнитных полей галактик и их скоплений из первичных «зародышей».

Поэтому гипотеза потенциально решает сразу две космологические проблемы: может помочь объяснить напряжение Хаббла и дать естественный источник космического магнетизма.

Но главное значение возможного открытия гораздо шире. Если первичные магнитные поля действительно возникли в первые мгновения существования Вселенной, их обнаружение стало бы способом заглянуть в эпоху, о которой современные наблюдения рассказывают лишь косвенно.

Пока ученым удалось показать только, что такая гипотеза выдерживает наиболее подробную проверку из проведенных на сегодняшний день. Следующие наблюдения должны определить, действительно ли слабое магнитное поле, возникшее на заре Вселенной, оставило заметный след в космическом микроволновом фоне — и способно ли оно наконец объяснить, почему разные методы измерения скорости расширения Вселенной продолжают давать разные ответы.