Mótaði segulmagn alheiminn? Epic tilraun bendir til þess að svo hafi verið

ÞAÐ eru fáir staðir á jörðinni þar sem aðstæður verða eins öfgakenndar og þær eru í National Ignition Facility nálægt Los Angeles. Í hjarta þess eru 192 leysir þjálfaðir á gullhólki sem er nokkurn veginn á stærð við AA rafhlöðu. Þegar geislarnir renna saman fer hitastigið í prófunarklefanum upp í 100 milljónir oC, heitara en miðja sólarinnar.

Aðstaðan var byggð til að kanna möguleika á að virkja kjarnasamruna, sem lofar ótakmarkaðri hreinni orku. En fyrr á þessu ári tilkynntu vísindamenn að öflugir leysir þess hafi einnig verið beint að annarri stórri spurningu – hvað mótaði alheiminn?

Alheimurinn er fallegur staður. Á stærstu vogunum, a mikill efnisvefur er ofinn um allt geim. Aðdráttur inn og þú sérð vetrarbrautir þyrpast í bylgjandi skýjum, á meðan einstaka vetrarbrautir sjálfar koma í undursamlegum fjölda formum, þar á meðal glæsilegum þyrilum eins og okkar. Vetrarbrautin.

Í áratugi hefur verið talið að einungis þyngdarafl hefur það sem þarf til að móta slík undur. Núna, heitar á hælunum á fjölda forvitnilegra vetrarbrautamælinga, gefa leysigeislatilraunir upp vísbendingar um að við gætum ranglega hafnað áhrifum annars afls.

Segulmagn hefur alltaf verið talið of veikt til að vera kosmískur myndhöggvari. En þeir sem standa að baki nýjustu niðurstöðunum halda því fram að í hvítum hita prófunarklefans hafi þeir fengið að sjá hvernig hægt er að hlaða þennan gleymda kraft. Ef svo er gætum við þurft að finna nýjan stað fyrir segulmagn, samhliða þyngdaraflinu, í myndinni okkar af því hvernig alheimurinn kom til að líta út eins og hann gerir.

Það sem við vitum um þyngdarafl og uppbyggingu alheimsins fór að mótast nokkurn veginn á sama tíma. Á fyrstu áratugum 20. aldar voru stjörnufræðingar eins og Edwin Hubble farnir að fylgjast með raunverulegum mælikvarða og uppbyggingu alheimsins. Um svipað leyti birti Albert Einstein stórmerkilega kenningu sína um þyngdarafl, almenn afstæðiskenning. Upphaflega virtist kenningin passa við athuganirnar eins og hanski og því töldu vísindamenn að uppbygging alheimsins hlyti að vera eingöngu undir þyngdaraflinu.

En eftir því sem athugunum batnaði kom ósamræmi upp. Ein sú frægasta kom á þriðja áratug síðustu aldar þegar stjörnufræðingurinn Fritz Zwicky sýndi fram á að vetrarbrautir í einni þyrpingunni hreyfðust svo hratt að þær ættu að fljúga í sundur í stað þess að vera fastar á sporbraut hver um aðra. Hann lagði til að einhvers konar „ dúnkle Materie “, eða hulduefni, hlýtur að vera til þarna – eitthvað sem við getum ekki séð, en sem myndar auka þyngdarafl til að hjálpa þyrpingunni að haldast saman. Upp frá því varð hulduefni ómissandi stoð fyrir þyngdaraflskenningafræðinga, jafnvel þó að enginn hafi nokkurn tíma greint það beint.

Um miðja 20. öld kom fram önnur sýn á það sem var að móta alheiminn, með leyfi Hannesar Alfvéns eðlisfræðings. Þyngdarkrafturinn hafði gert hlaupið snemma vegna þess að þótt það sé tiltölulega veikt afl, þá verkar það yfir miklar vegalengdir og togar í allt efni. Segulmagn var ekki á borðinu, enda takmarkaðri kraftur sem hefur aðeins áhrif á rafhlaðnar agnir. Alfvén benti hins vegar á að mikið af efni alheimsins er í a ástand efnis sem kallast plasma, lofttegund úr hlaðnum ögnum. Hann lagði til að krafturinn sem segulmagn beitt á plasma ætti að vera að minnsta kosti sambærilegur við áhrif þyngdaraflsins á önnur efni. Segulsvið hljóta, að hans mati, að gegna mikilvægu – jafnvel ráðandi – hlutverki í mótun alheimsins.

Stuðningsmenn Alfvéns byrjuðu að móta ímyndaðar segulmagnaðir lausnir á nokkrum alheimsgátum, þar á meðal hvernig þyrilvetrarbrautir fá sína lögun. En það voru alltaf tvö stór vandamál fyrir þá sem voru í horni segulmagnsins. Í fyrsta lagi var erfitt að prófa hugmyndina vegna þess að á þeim tíma var engin raunhæf leið til að fylgjast með segulsviðum í víðari alheimi. Í öðru lagi, og í grundvallaratriðum, þyrfti segulsvið að öðlast ótrúlegan styrk til að gegna hlutverki í mótun vetrarbrauta og enginn hafði hugmynd um hvernig hægt væri að mynda nægilega sterkt sviði.

Hvernig segulsvið verða til

Til að búa til segulsvið þarftu fyrst dynamo, hrærandi svæði úr hlaðnu, rafleiðandi efni. Þetta er það sem gerist inni á jörðinni: fljótandi málmur streymir til að framleiða segulsviðið sem umlykur plánetuna okkar. Dýnamó úr plasma gæti vissulega hafa myndast snemma í alheiminum. Vandamálið er að hver slík dynamo væri tiltölulega lítil seiði, sem myndar segulsvið allt of veikt til að gera raunverulega vetrarbrautarmótun. Eitthvað hefði einhvern veginn þurft að magna þessi nöturlegu svið mörgum sinnum – og enginn hafði neinar skynsamlegar tillögur um hvernig það hefði getað gerst. Deilur um hvaða, ef einhver, hlutverk segulmagn gegndi í mótun alheimsins, kraumaði í áratugi. En á níunda áratugnum, án þess að fá svör við þessum tveimur vandamálum, var talið að segulmagn hefði glatast. Þyngdarkrafturinn var í raun hinn eini sanni myndhöggvari alheimsins. „Kosmísk segulmagn er yfirleitt síðasti eðlisfræðilegi gangurinn sem nokkur talar um,“ segir stjörnufræðingurinn Enrique Lopez Rodriguez við Stanford háskólann í Kaliforníu.

Sem er ekki þar með sagt að þyngdarafl geti útskýrt hvert smáatriði í uppbyggingu alheimsins. Ein þrautin felur í sér vetrarbrautaþyrpingar, sem, auk vetrarbrautanna sjálfra og (væntanlega) sumt hulduefni, innihalda tiltölulega tóm svæði sem kallast innanþyrpingamiðill, þar sem ekkert er nema plasma. Þetta plasma gefur frá sér röntgengeisla sem við getum mælt frá jörðinni og ályktað um hitastig þess. Frá því seint á tíunda áratugnum hafa stjörnufræðingar komist að því að blóðvökvanir í vetrarbrautaþyrpingum eru óútskýranlega heitar, við 10 milljón oC. Samkvæmt þyngdareðlisfræðinni ætti gasið að hafa geislað þann hita í burtu fyrir löngu síðan.

Að greina segulsvið í geimnum

Þó að þessi tiltekna ráðgáta hafi ekki snúið stjörnufræðingum strax aftur í átt að segulmagni, hafa sumir vísindamenn nýlega velt því fyrir sér hvort við værum of fljótir að vísa kraftinum svo algjörlega frá heimsfræðinni. Eitt sem hefur breyst síðan á níunda áratugnum er hæfni okkar til að leita að segulsviðum í alheiminum. Taktu SOFIA hljóðfæri NASA í Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA), sem er innrauður sjónauki sem er til húsa í breyttri risaþotu sem getur svífið hátt upp í lofthjúpinn. Það klifrar upp fyrir vatnsgufuna í loftinu, sem gleypir innrauða ljósið og stöðvar flestar innrauða athuganir sem reynt er frá jörðu niðri.

Þegar geimrykkorn lenda í segulsviði raða þau sér upp eins og girðing sem skautar innrauðu ljósi sem fer í gegnum þau. Lopez Rodriguez var að vinna með SOFIA fyrir fimm árum þegar vísindamennirnir voru að taka í notkun nýtt tæki sem gat tekið þessi merki og þannig sýnt segulsvið. Hann lagði til að þeir myndu fylgjast með þyrilvetrarbrautinni NGC 1068, en vitað var að kjarni hennar væri uppspretta skautaðs innrauðs ljóss. Á fyrstu 30 mínútum athugunarinnar sáu þeir eitthvað óvenjulegt: segulsviðið fylgdi greinilega þyrilmynstri vetrarbrautarinnar (mynd hér að ofan). Þyngdarkrafturinn spáði ekki fyrir um neitt þessu líkt. “Ég var eins og, vá, hvað er í gangi hérna?” segir Lopez Rodriguez. Til að komast að því hvort þetta hafi verið töffari skoðuðu þeir 20 aðrar nærliggjandi vetrarbrautir. „Hingað til hefur hver og einn stórt segulsvið sem gegnsýrir alla vetrarbrautina,“ segir Lopez Rodriguez. Og þessi svið fylgja líka lögun þyrilarmanna.

Aðrir sjónaukar hafa séð svipaða hluti. Árið 2020 notuðu Yelena Stein, nú í þýsku loftferðamiðstöðinni í Köln, og samstarfsmenn hennar Very Large Array – útvarpssjónauka í Nýju Mexíkó – til að rannsaka þyrilvetrarbrautina NGC 4217. Þau fundu stórt segulsvið sem gegnsýrir vetrarbrautina. .

Ein og sér eru þessar athuganir varla óyggjandi. Segulsviðin gætu verið aukaverkun spíralformsins frekar en orsök þess. Og ástæðurnar fyrir því að útiloka segulsvið sem geimmyndhöggvara voru ekki bara þær að við höfðum ekki séð þau, heldur að við skildum ekki hvernig hægt væri að magna þau nægilega.

Órólegur dynamo

Nú gæti hins vegar þessi önnur mótmæli verið að molna líka. Allt frá því um miðjan fimmta áratuginn, þegar jarðeðlisfræðingurinn Stanislav Braginsky skrifaði niður jöfnur sínar á hreyfingu vökva í blóðvökva, hafa vísindamenn haft áhuga á hlutverki ókyrrðar – óskipulegra breytinga á þrýstingi og flæði – í myndun segulsviðs. Ein hugmynd sem kom fram var að ókyrrð í plasma gæti haft áhrif á eiginleika segulsviðsins sem myndast. Órói er í eðli sínu flókið og það var ómögulegt að skilja hvaða áhrif það gæti haft fyrr en nútíma tölvuhermingar komu til sögunnar. En þetta hefur sýnt að „órólegur dynamo“, eins og það er þekkt, ætti að auka styrk segulsviðs til muna. Samt sem áður yrði aðeins auðvelt að sjá þessi áhrif í blóðvökva sem hituð var upp í háhitastig – af því tagi sem var til staðar í fyrri alheiminum – sem þýddi að þetta væri erfið tilgáta til að prófa með tilraunum.

Stígðu fram Jena Meinecke við Oxford háskóla, sem hefur í mörg ár rannsakað ólgandi dynamo sem hluti af alþjóðlegu teymi plasma eðlisfræðinga. „Það er heilagur gral, að sumu leyti, í plasma eðlisfræði,“ segir hún. Tilkoma stórra leysirannsóknastofa hefur verið guðsgjöf vegna þess að þær eru einu staðirnir sem geta búið til nógu heitt plasma til að komast nálægt þeim aðstæðum þar sem hægt er að rannsaka ólgandi dýnamó.

Vísbendingar um segulsviðsmögnun

Teymi Meinecke, undir forystu Gianluca Gregori við háskólann í Oxford, gerði fyrstu leysitilraun sína árið 2018. Í Omega Laser Facility við háskólann í Rochester í New York bjuggu vísindamennirnir til lítinn „skóg“ af skotmörkum úr þynnum og ristum. á pólum sem þeir reiknuðu með að myndu trufla blóðvökvann á ólgandi hátt. Lasarinn tappaði síðan hylki af deuterium, þyngri mynd vetnis, og breytti því í plasma, sem þökk sé álpappírsnetunum í nágrenninu þyrlaðist í ókyrrð. Rannsakendur sáu hraða mögnun á segulsviði blóðvökvans – fyrstu innsýn í ólgandi dýnamó í aðgerð .

Vísindamennirnir vildu sjá áhrifin í fullri dýrð, sem þýddi að nota öflugri leysir til að knýja ókyrrðina enn harðar. Það var það sem kom þeim til öflugasta leysibúnaðar heims, National Ignition Facility við Lawrence Livermore National Laboratory í Kaliforníu, með 192 leysigeisla sína. Það er sjaldgæft að vísindamenn fái tíma á leysinum fyrir tilraunir á öðru en samruna, en teymi Meinecke tryggði sér leyfi og fór að vinna.

Fyrsti „skotadagur“ vísindamannanna kom síðar árið 2018. Þeir gerðu svipaða tilraun og á Omega, horfðu með röntgenmyndavélum til að sjá hvað gerðist. Þeir bjuggust við mikilli aukningu á hitastigi plasmasins, en þess í stað náðu myndavélarnar bútasaum af heitum og köldum blettum. „Þetta var eins og að horfa á Dalmatíumann,“ segir Meinecke. „Ég sýndi liðinu það og þeir sögðu „það er engin leið að það geti orðið niðurstaðan.“ En tilraunin var endurgerð og hún var alltaf sú sama.

Það var þegar eyrir lækkaði. Ólgandi dínamóáhrifin sem rannsakendur höfðu skapað voru svo sterk að segulsviðið sem af þessu leiddi var að fanga agnir inni í ákveðnum svæðum í plasma. Það var nóg til að draga úr varmaflæðinu um 100 og skapa heitu og köldu blettina. Liðið hefur eytt árum í tvöföldu og þrefalda athugun á niðurstöðunum og fór aðeins opinberlega með þær fyrir nokkrum mánuðum . Plasma eðlisfræðingur Patrick Diamond við háskólann í Kaliforníu, San Diego, segir að þetta sé „verulegt framfaraskref“. Hann bendir á að hans eigið svið, kjarnasamruni, byggir á sterkum segulsviðum til að fanga orku og hita, en það gerir það með því að nota sterk, samræmd svið. „Þetta er fyrsta tilvikið þar sem þú sérð þessa minnkun á hitauppstreymi sem afleiðing af óskipulegu eða ólgandi segulsviði,“ segir hann.

Þessi óvænta hæfileiki segulsviðanna til að fanga hita gæti leyst gátuna um óútskýranlega heita miðilinn innan þyrpingarinnar í vetrarbrautaþyrpingum. Meinecke og teymi hennar eru að leggja til að segulsviðið sem myndast af ólgandi dýnamói gæti haldið plasma á sínum stað og bælt dreifingu varma í milljarða ára. „Segulsviðið inniheldur næga orku til að það geti sagt til um hvernig á að hreyfa sig,“ segir Gregori – alveg eins og þyngdaraflið gerir. Reyndar, þegar þeir sáu fyrst þetta Dalmatíulíka mynstur af heitum og köldum blettum í ólgandi plasma þeirra, brá þeim fyrir hversu líkt það leit út mannvirkjum sem við sjáum í vetrarbrautaþyrpingum.

Gæti segulmagn komið í stað hulduefnis?

Allt þetta er að blása nýju lífi í rök Alfvéns um að segulmagn hafi hjálpað til við að móta alheiminn. Það er freistandi að spyrja hvort þetta gæti jafnvel útrýmt þörfinni fyrir hulduefni. Það er þó skrefi of langt fyrir Stein. „Ég held að það sé ekki það að við þurfum minna hulduefni eða meira hulduefni, það er bara að við þurfum að skilja hvernig þessi ferli virka,“ segir hún. Með öðrum orðum, stjörnufræðingar þurfa að fara að taka segulsvið mun alvarlegri.

Það er áskorun sem Lopez Rodriguez er tilbúin að taka. Hann er líka efins um að segulsvið í þyrilvetrarbrautum séu nógu sterk til að leysa hulduefni af hólmi, en sannleikurinn er sá að enginn veit hvaða breytileg áhrif þau kunna að hafa. Fyrsta rannsókn hans er á því hvers vegna segulsvið virðast alls staðar fylgja þyrilmynstri hýsilvetrarbrauta sinna.

Samkvæmt þyngdarfræðikenningum eru þyrilvetrarbrautir útskýrðar með einhverju sem kallast þéttleikabylgjukenningu. Þar er fullyrt að þegar efni snýst um miðju vetrarbrautar hægi aðeins þéttari svæði á öðrum blettum efnis sem fara yfir, eykur þéttleika fyrsta svæðisins, kveiki í stjörnumyndun og afmarkar þyrilarmana. Það eina sem það spáir ekki fyrir um er hvers vegna stórt segulsvið myndi fylgja þessari uppbyggingu svona nákvæmlega, en það gerir engin dínamókenning heldur. „Samt sjáum við það alls staðar,“ segir Lopez Rodriguez.

Til að komast að því hvað er að gerast mun hann bráðlega hefja þriggja ára nám í tölvulíkönum, keyra eftirlíkingar af vetrarbrautamyndun með og án sviðanna til að sjá hvað kemur út. Ef allt gengur að óskum mun hann loksins hafa einhver svör og kannski fáum við loksins að vita hvernig alheimurinn var meitlaður í lag.

Ekki missa af stærstu vísindahátíð heims!
Vertu með í Visiris Live 7.-9. október 2022 newscientistlive.com