Ученые успешно воссоздали условия, напоминающие «космические огненные шары», в ускоритель частиц ЦЕРН, что стало новаторским экспериментом, направленным на понимание загадочного исчезновения высокоэнергетических гамма-лучей из далеких галактик. Это достижение может открыть доступ к ключевым сведениям о происхождении магнитных полей в межгалактическом пространстве и поведении материи в экстремальных условиях.
Моделирование условий экстремальной Вселенной
Исследование, проведенное учеными из Оксфордского университета и Центра лазерных технологий (Central Laser Facility) Совета по науке и технологиям (STFC), использовало установку HiRadMat и сверхпротонный синхротрон ЦЕРН для генерации пар частиц материи и антиматерии (электронов и позитронов). Эти частицы были затем направлены через колонну плазмы — перегретого ионизированного газа — моделируя интенсивные условия, встречающиеся в струях, исходящих от блазаров. Блазары — это тип активных галактических ядер, где сверхмассивные черные дыры в центрах галактик поглощают материю и выбрасывают высокоэнергетические струи плазмы.
«Эти эксперименты демонстрируют, как лабораторная астрофизика может проверять теории о высокоэнергетической Вселенной», — объяснил Боб Бинхем, член команды из Университета Стратклайд. «Воссоздавая условия релятивистской плазмы в лаборатории, мы можем измерять процессы, формирующие эволюцию космических струй и лучше понимать происхождение магнитных полей в межгалактическом пространстве».
Что такое блазары, и почему исчезают гамма-лучи?
Блазары — это увлекательная подгруппа «активных галактических ядер» (AGN). В центре этих галактик находится сверхмассивная черная дыра — в миллионы или миллиарды раз массивнее нашего Солнца — жадно поглощающая окружающий газ и пыль. Эта материя образует вращающийся диск, называемый аккреционным диском, который ярко светится из-за трения.
По мере падения материи к черной дыре мощные магнитные поля направляют часть ее к полюсам черной дыры. Эта материя ускоряется почти до скорости света и выбрасывается в виде двойных струй плазмы. Когда одна из этих струй случается быть направленной прямо к Земле, она становится блазаром. Эти струи производят интенсивное гамма-лучевое излучение, которое телескопы на Земле могут обнаружить.
Однако возникло загадочное явление: когда эти гамма-лучи проходят через межгалактическое пространство, они не всегда генерируют вторичные сигналы, прогнозируемые стандартной физикой. Ученые ожидали, что взаимодействия с фотонами в космическом фоновом излучении создадут пары электронов и позитронов (материи и антиматерии), и эти пары, в свою очередь, должны были рассеиваться от космического микроволнового фона (CMB), слабого отблеска Большого взрыва. Это рассеяние должно было генерировать гамма-лучи с более низкой энергией, обнаруживаемые телескопами, такими как космический аппарат «Ферми». Однако эти гамма-лучи с более низкой энергией последовательно ускользают от обнаружения.
Загадка исчезнувших гамма-лучей: объяснения и новые открытия
Несколько теорий пытаются объяснить этот кажущийся противоречию. Одно предположение заключается в том, что слабые межгалактические магнитные поля отклоняют электрон-позитронные пары, эффективно выталкивая гамма-лучи с более низкой энергией из нашего поля зрения. Другая возможность связана с нестабильностью этих пар материи-антиматерии по мере того, как они пересекают разреженную материю между галактиками, вызывая колебания в плазменной струе и генерируя магнитные поля, которые рассеивают энергию луча. Наконец, наличие «реликтного магнитного поля», остающегося со времен ранней Вселенной, могло бы перемешивать гамма-лучи.
Недавний эксперимент в ЦЕРНе был разработан для проверки первых двух из этих теорий. К удивлению, команда наблюдала минимальное нарушение плазменного пучка, противореча ожиданиям значительного генерирования магнитного поля. Это говорит о том, что колебания плазмы могут быть слишком слабыми, чтобы объяснить исчезнувшие гамма-лучи, что усиливает возможность влияния реликтного магнитного поля на их поведение.
Результаты команды бросают вызов господствующим теориям и усиливают аргумент в пользу существования реликтного магнитного поля, пронизывающего межгалактическую среду.
Взгляд в будущее
Результаты поднимают интригующие вопросы, особенно в отношении того, как такое реликтное магнитное поле могло возникнуть в необычайно однородной ранней Вселенной. Ответить на этот вопрос может потребовать изучения физики за пределами Стандартной модели, возможно, с использованием передовых объектов, таких как обсерватория массивов Черенковских телескопов (CTAO).
«Нам было очень весело участвовать в таком инновационном эксперименте, как этот, который добавляет новое измерение к передовым исследованиям, проводимым в ЦЕРНе», — заключил Субир Саркар, член команды и исследователь Оксфордского университета. Результаты команды, опубликованные в журнале PNAS, предлагают свежий взгляд на фундаментальные космические вопросы и подчеркивают потенциал лабораторных экспериментов для изучения самых экстремальных сред Вселенной.
