Цивилизация
Известно, что магнитные поля присутствуют практически во всех типах космических структур во Вселенной — от небольших планет до галактик и крупнейших скоплений галактик. Есть основания полагать, что и на самых больших, космологических масштабах Вселенная пронизана магнитными полями, пусть и меньшей величины. Определение характеристик таких космологических полей имеет важное значение для космологии и физики космических частиц. Основной характеристикой магнитного поля является магнитная индукция — именно она определяет силу поля, действующую на движущиеся заряды.
Российские ученые из Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга и Института ядерных исследований Российской академии наук вместе с зарубежными коллегами
получили самую точную на сегодняшний день оценку максимальной величины космологических магнитных полей.
Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Physical Review Letters и попали в рубрику Editor's Suggestion — «Выбор редакции». Работу удалось осуществить благодаря финансовой поддержке Российского научного фонда (РНФ). Авторы статьи использовали большой обзор далеких радиоисточников. Данные обзора позволили поставить сильные верхние ограничения на индукцию космологических полей.
Максим Пширков с коллегами применили метод изучения космологических магнитных полей с помощью явления фарадеевского вращения плоскости поляризации радиоизлучения: при распространении поляризованного излучения от далекого источника его плоскость поляризации поворачивается на некоторый угол, величина которого зависит от величины космических магнитных полей. Таким образом, изучая величины поворотов, можно оценивать эти магнитные поля.
Максим Пширков и соавторы использовали уже имевшиеся результаты измерений для примерно 3 тыс. радиоисточников, распределенных по большей части небесной сферы. При анализе данных был учтен локальный вклад в эффект Фарадея, возникающий внутри Млечного Пути.
Сравнивая данные наблюдений с предсказаниями модели с дополнительным вкладом от космологических полей, исследователи смогли получить строгие ограничения сверху на величину этих полей — около 1 нГс.
«До последнего времени было известно очень мало о космологических полях, — говорит Максим Пширков. — Около шести лет назад наблюдения спутника «Ферми» дали косвенные указания на существование очень слабых внегалактических магнитных полей (10-17 Гс), то есть была сделана оценка снизу для силы этих полей. Для сравнения, на поверхности Земли сила поля составляет примерно 0,5 Гс.
Оценку сверху на максимальную силу космологических полей делали и ранее, но полученные тогда ограничения были в пять раз больше, чем полученные нами сейчас.
Совсем недавно с использованием данных со спутника Planck была дана оценка максимальной величины космологических полей, которую теперь нам удалось улучшить в два раза. Однако Planck изучал реликтовое излучение, то есть полученные им данные могут ограничить только магнитные поля, существовавшие на ранних стадиях эволюции Вселенной».
Среди ученых пока нет единого мнения о природе космологического магнитного поля. Существует две гипотезы. В соответствие с первой, это поле первично, оно образовалось на ранних стадиях эволюции Вселенной. По другой гипотезе, это поле образовалось позже, в первый миллиард лет существования галактик. В этих ранних галактиках образовывалось магнитное поле, которое затем было вынесено из них и «загрязнило» окружающую межгалактическую среду.
Полученные учеными данные важны для изучения космических лучей сверхвысоких энергий — они помогут решить задачу отождествления источников космических лучей, которая остается нерешенной уже более полувека.
«Если бы космологическое магнитное поле оказалось больше, скажем, 3 нГс, то космические лучи от далеких источников испытывали бы сильное отклонение, и мы не смогли бы отождествить их с источниками, — объясняет Максим Пширков. — Полученное нами ограничение сверху означает, что лучи в межгалактическом пространстве отклоняются не очень значительно.
Также возможно, что полученные нами ограничения помогут ученым-теоретикам в выборе правильной модели эволюции ранней Вселенной».
Работа ученых была выполнена в рамках гранта Российского научного фонда (РНФ) «За пределами возможностей земных ускорителей: происхождение космических лучей, нейтрино и фотонов с энергиями (1015–1020) эВ» под руководством Сергея Троицкого из Института ядерных исследований Российской академии наук. Этот грант нацелен на исследования в области астрофизики частиц — новой области науки, в которой астрономические исследования используются для целей фундаментальной физики, многие из которых просто не могут быть проверены экспериментально в земных лабораториях. Для примера, энергии космолучей доходят до 1020 эВ, что в 10 млн раз больше энергий частиц на Большом адронном коллайдере.