Расширение Вселенной давно считается доказанным фактом, однако среди учёных нет согласия относительно скорости этого процесса. Два основных способа определения постоянной Хаббла дают результаты, которые упорно расходятся между собой. Это противоречие получило название «хаббловское напряжение» и считается одной из ключевых проблем современной космологии.
Исследователи изучили, может ли идея, изначально предложенная для объяснения другого космического феномена — происхождения магнитных полей во Вселенной, — помочь разгадать загадку хаббловского напряжения. Их работа, недавно опубликованная в журнале Nature Astronomy, посвящена вопросу о том, способны ли крайне слабые магнитные поля, сохранившиеся с первых мгновений после Большого взрыва, объяснить это расхождение. Подобный подход также даёт возможность заглянуть в физические процессы при энергиях, недостижимых в земных условиях.
Постоянная Хаббла служит мерой скорости расширения Вселенной и названа в честь американского астронома Эдвина Хаббла, который первым обнаружил это явление. Существуют два принципиально разных метода её измерения. Первый — косвенный: он опирается на предсказания космологической модели, настроенной на соответствие структуре реликтового излучения, слабого послесвечения Большого взрыва. Телескопы вроде Planck измерили мельчайшие флуктуации этого древнего света, получив значение около 67 километров в секунду на мегапарсек (км/с/Мпк). Парсек — единица расстояния в астрономии, равная примерно 3,26 светового года, или 30,9 триллиона километров; мегапарсек составляет миллион парсеков.
Второй метод — прямой, схожий с тем, что использовал Хаббл в 1920-х годах, когда впервые доказал расширение Вселенной. Он основан на измерении скорости удаления далёких галактик от Млечного Пути через наблюдение яркости взрывов сверхновых в этих галактиках. Сверхновые типа Ia считаются «стандартными свечами», поскольку их светимость одинакова везде, что позволяет судить о расстоянии до них по видимой тусклости. Для определения их истинной яркости астрономы применяют другие стандартные свечи, например цефеиды, в близлежащих галактиках. Наблюдения с помощью космических телескопов Hubble и James Webb дают более высокое значение — около 73 км/с/Мпк. Разница между 67 и 73 кажется небольшой, но статистически она крайне значима: если оба метода верны, значит, стандартная модель космологии упускает нечто важное.
Магнитные поля присутствуют повсюду во Вселенной. Планеты и звёзды создают собственные поля, однако объяснить гораздо более масштабные поля, пронизывающие галактики, их скопления и, возможно, космические пустоты, пока не удаётся. Одна из давно изучаемых гипотез предполагает, что магнетизм возник в очень ранней Вселенной, задолго до появления первых звёзд и галактик. Такие первичные магнитные поля исследуются десятилетиями, а поиск их следов в реликтовом излучении и других данных позволяет изучать раннюю Вселенную и экстремальные энергии, которые могли бы породить эти поля. В 2011 году двое из авторов работы, Карстен и Том, отметили, что первичные магнитные поля должны были влиять на рекомбинацию — момент, когда электроны и протоны впервые соединились в нейтральный водород, а Вселенная из непрозрачной стала прозрачной. Первый свет, свободно распространившийся с этого момента, мы сегодня наблюдаем как реликтовое излучение.
Если бы первичные магнитные поля существовали, они ускорили бы рекомбинацию, воздействуя на заряженные частицы и делая материю слегка неоднородной: там, где частиц больше, они чаще встречаются и образуют водород. Смещение момента просветления Вселенной меняет размер наблюдаемых структур в реликтовом излучении. Это фактически изменяет космическую линейку, используемую для измерения расстояний, и, соответственно, значение постоянной Хаббла, выводимое из модели, что помогает ослабить напряжение. В 2020 году двое из авторов, Карстен и Левон, показали этот эффект на упрощённой модели рекомбинации. В новой работе учёные впервые провели полные трёхмерные симуляции первичной плазмы со встроенными магнитными полями, отслеживая образование водорода. На основе полученной истории формирования водорода они рассчитали, как должно выглядеть реликтовое излучение при наличии первичных магнитных полей, и сравнили предсказания с наблюдениями. Реликтовое излучение чрезвычайно чувствительно к изменениям рекомбинации: если бы первичные поля влияли на него вразрез с данными, идею можно было бы отвергнуть. Однако данные показали, что предложение остаётся жизнеспособным. В разных комбинациях наборов данных обнаружилось устойчивое умеренное предпочтение в пользу первичных магнитных полей — от примерно 1,5 до трёх стандартных отклонений. Это пока не открытие, но значимая подсказка об их существовании.
Не менее важно, что favoured (предпочтительные) данные указывают на напряжённость поля около пяти–десяти пикогауссов сегодня — это близко к тому, что требовалось бы для происхождения галактических и скопленческих магнитных полей исключительно из первичных зародышей. Пикогаусс — единица измерения напряжённости магнитного поля. Помимо помощи в ослаблении хаббловского напряжения, подтверждение первичных магнитных полей открыло бы новое окно в состояние Вселенной в возрасте долей секунды, возможно, позволив заглянуть в такие важные события, как сам Большой взрыв. Результаты показывают, что предложение выдерживает самую детальную на сегодня проверку и даёт чёткие цели для будущих наблюдений. В ближайшие годы станет ясно, помогли ли крошечные магнитные поля из рассвета времён сформировать наблюдаемую Вселенную и лежит ли в них ключ к разрешению хаббловского напряжения.