Известно, что во Вселенной существуют крошечные, высокооднородные магнитные поля, влияющие на различные космологические процессы. Однако до настоящего времени физические механизмы, лежащие в основе генерации этих полей, остаются плохо изученными. Недавно исследователи из Университета Макгилла и Цюрихского технологического института описали новый механизм, который может привести к генерации космологических магнитных полей. Этот механизм, описанный в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, включает в себя (псевдоскалярное) квантовое поле, которое может привести к существованию ультралегкой темной материи, состоящей из частиц с чрезвычайно малой массой, которые взаимодействуют с обычной материей лишь очень слабо.

«Доказательства существования крошечных, очень однородных магнитных полей во Вселенной, простирающихся на межгалактические масштабы, были собраны довольно давно», — рассказали Phys.org Роберт Бранденбергер и Юрг Фролих, соавторы статьи вместе с Хао Цзяо. «Долгое время происхождение этих полей оставалось загадкой. Наша недавняя статья развивает идеи, описанные в более ранних работах, опубликованных в 1997, 2000 и 2012 годах».

Бранденбергер много лет исследует так называемые явления параметрического резонанса. Эти явления, первоначально обнаруженные в классической механике, подразумевают экспоненциальный рост полей, связанных с осциллирующим источником.

«В свете недавнего интереса к сверхлегкой темной материи, возникающей из псевдоскалярного поля, так называемого аксиона, который когерентно колеблется в пространстве и взаимодействует с электромагнитным полем, естественно предположить, что она может быть источником роста электромагнитных полей», — заявили Бранденбергер и Фролих.

«Мы сразу поняли, что существует очень эффективный псевдотахионный резонансный канал, приводящий к усилению длинноволновых мод электромагнитного поля, что приведет к образованию крошечных, высокооднородных магнитных полей в межгалактических масштабах. Нетрудно дать приблизительную оценку этого эффекта и доказать, что можно генерировать магнитные поля, объясняющие существующие наблюдения».

Связь аксионной темной материи с космологическими магнитными полями

В своей статье Бранденбергер, Фролих и их коллега Хао Цзяо исследуют связь между аксионной темной материей и космологическими магнитными полями. Главная цель их исследования — выявить механизм, объясняющий генерацию космологических магнитных полей, не опираясь на весьма гипотетические предположения, касающиеся новой, плохо изученной физики ранней Вселенной.

Авторы рассматривают процессы во Вселенной после так называемой рекомбинации — периода, примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, когда Вселенная стала достаточно холодной, чтобы электроны и ядра объединились в нейтральные атомы. Теория предсказывает, что после рекомбинации свет и материя перестают быть тесно связанными, так что магнитные поля могут сохраняться очень долгое время.

Авторы используют член взаимодействия, хорошо известный в аксионной электродинамике, связывающий псевдоскалярное аксионное поле с электромагнитным полем. Затем они показывают, что этот член взаимодействия может приводить к росту магнитных полей, возникающих в осциллирующем аксионном поле и сохраняющихся до нашей эры.

«По нашему мнению, доказательства существования темной материи, собранные с помощью различных астрономических зондов, являются убедительными», — пояснили Бранденбергер и Фролих.

«Однако на данный момент неизвестно, из чего состоит тёмная материя. В нашей недавней статье мы предполагаем, что она «сверхлёгкая», точнее, что она генерируется псевдоскалярным аксионным полем с очень малой массой, которое в момент рекомбинации когерентно осциллирует во Вселенной (с наложением небольших флуктуаций, вызывающих формирование структуры во Вселенной). Это вполне стандартное предположение».

Предполагается, что аксионное поле взаимодействует с электромагнетизмом посредством хорошо известного члена взаимодействия. Авторы представляют расчеты, показывающие, что когерентные колебания аксионного поля вызывают псевдотахионную неустойчивость в электромагнитном поле, что приводит к быстрому росту магнитных полей.

Переосмысление астрофизических теорий

В рамках своего исследования Бранденбергер, Фролих и Хао Цзяо сравнивают свои теоретические предсказания с существующими астрономическими наблюдениями и более ранними предположениями. Они утверждают, что «до нашей работы считалось крайне маловероятным, что магнитные поля в космологических масштабах (масштабах, превышающих масштаб скоплений галактик), сохранившиеся до настоящего времени, генерируются на поздних стадиях развития Вселенной».

«В этом контексте «поздний» означает: время после рекомбинации, когда было сгенерировано космическое микроволновое фоновое излучение. В работах, предшествовавших нашей, предполагалось, что потребуется новая физика, применимая к самой ранней Вселенной (например, на ранней стадии космической инфляции). Наш механизм ставит это предположение под сомнение».

Хотя результаты исследования команды кажутся очень многообещающими, детальные аспекты их механизма все еще нуждаются в более точном изучении.

«Например, нам необходимо изучить, как магнитные поля, генерируемые в соответствии с нашим механизмом, оказывают обратное воздействие на темную материю», — заявили Бранденбергер и Фролих.

«Важно определить, какая доля начальной плотности энергии темной материи преобразуется в плотность электромагнитной энергии. В нашей работе мы фокусируемся на эволюции полей после момента рекомбинации, когда плазменные эффекты (проводимость Вселенной) достаточно малы, чтобы ими можно было пренебречь».

«Однако генерацию магнитных полей до рекомбинации, когда плазменные эффекты играют важнейшую роль, также следует изучить более глубоко. Эта конкретная проблема и различные детальные аспекты нашего предложения могут потребовать численного моделирования, которое могли бы выполнить студенты Университета Макгилла и Цюрихского технологического института».

Очень интересное направление исследований, начатое Хао Цзяо, касается применения предложенного командой механизма генерации электромагнитного излучения после рекомбинации для понимания того, как образуются сверхмассивные черные дыры. Это самые большие из существующих черных дыр, содержащие от сотен тысяч до миллиардов солнечных масс, расположенные в центре большинства массивных галактик.

«Главная загадка космологии — происхождение большого количества кандидатов в черные дыры, наблюдаемых на больших красных смещениях», — добавил Бранденбергер. «Для того чтобы материя коллапсировала на зародыш черной дыры, ей не разрешается фрагментироваться».

В последующей статье Бранденбергер и Хао Цзяо утверждают, что описанный в их работе механизм может обеспечивать достаточный поток фотонов Лаймана-Вернера для предотвращения фрагментации. Этот эффект, который, как известно, зависит от каскадного перехода энергии к более коротким длинам волн, может быть дополнительно изучен в будущих исследованиях.