Плазменные «огненные шары» в ЦЕРНе могут объяснить недостающий свет во Вселенной

Глобальная команда учёных под руководством Оксфордского университета впервые в мире воссоздала в лаборатории экстремальные условия космических «огненных шаров» — струй плазмы, выбрасываемых чёрными дырами. Этот эксперимент, проведённый на ускорителе ЦЕРНа, проливает свет на давнюю астрономическую загадку: куда пропадает часть высокоэнергетического света Вселенной. Результаты, опубликованные в журнале PNAS, указывают на ключевую роль слабых магнитных полей, пронизывающих космическое пространство, и ставят новые вопросы о первых мгновениях после Большого взрыва.

Загадка недостающего света: два конкурирующих объяснения

Проблема возникла из наблюдений за блазарами — сверхмассивными чёрными дырами в активных ядрах галактик, которые испускают узкие струи частиц и гамма-лучей почти со скоростью света. Когда эти лучи, обладающие чудовищной энергией, путешествуют по межгалактическому пространству, они сталкиваются с фоновым звёздным светом. Физика предсказывает, что такое столкновение должно порождать каскады электрон-позитронных пар, которые, в свою очередь, взаимодействуя с реликтовым излучением, порождают вторичные гамма-лучи меньшей энергии.

Однако космические обсерватории, такие как телескоп «Ферми», годами не могли обнаружить этот предсказанный поток вторичного излучения. Свет попросту «терялся». У науки было два основных предположения, почему так происходит.

Первая гипотеза связана с космологическими магнитными полями. Считается, что слабые магнитные поля могут существовать в, казалось бы, пустом пространстве между галактиками. Эти поля могли бы отклонять заряженные электроны и позитроны, рассеивая вторичные гамма-лучи так, что их поток миновал бы Землю.

Вторая гипотеза уходила корнями в физику плазмы. Она предполагала, что пучок электронов и позитронов, пролетая через разреженную межгалактическую среду, становится нестабильным. В нём самопроизвольно могли бы рождаться электрические токи и локальные магнитные поля, которые рассеивали бы пучок и «гасили» его энергию ещё до того, как образовались бы вторичные гамма-лучи.

Эксперимент в ЦЕРНе: моделирование космоса в лаборатории

Чтобы проверить, какая из теорий верна, учёные обратились к уникальным возможностям ЦЕРНа. В сотрудничестве с Центром лазерных технологий Великобритании они провели эксперимент на установке HiRadMat.

Используя Суперпротонный синхротрон, исследователи создали управляемые пучки электронов и позитронов, которые направили через метровую камеру, заполненную плазмой. Эта установка стала лабораторным аналогом каскада частиц от далёкого блазара, движущегося в плазме межгалактической среды. Задача состояла в том, чтобы точно измерить, как ведёт себя пучок: рассеивается ли он из-за плазменных нестабильностей или остаётся стабильным.

Неожиданный результат: пучок оказался стабильным

Результат удивил самих экспериментаторов. Вопреки ожиданиям сторонников теории плазменных нестабильностей, пучок частиц не рассеялся и не разрушился. Он оставался узким и практически параллельным на всём протяжении, а также не проявил значительных признаков генерации собственных магнитных полей.

Этот вывод, экстраполированный на астрофизические расстояния, стал серьёзным ударом по второй гипотезе. Он показал, что плазменные нестабильности слишком слабы, чтобы объяснить исчезновение целого потока гамма-излучения. Таким образом, чаша весов склонилась в пользу первой теории: наиболее вероятной причиной «недостающего света» являются слабые магнитные поля, первичные и пронизывающие всё межгалактическое пространство.

Новые вызовы: происхождение полей в ранней Вселенной

Однако это открытие породило ещё более глубокий и сложный вопрос. Современные космологические модели описывают раннюю Вселенную как чрезвычайно однородную и гладкую. В такой среде просто не было механизмов, которые могли бы сформировать обширные, крупномасштабные магнитные поля.

Как отмечают авторы исследования, объяснение происхождения этих полей, на которое теперь указывают наблюдения, может потребовать выхода за рамки Стандартной модели физики частиц. Возможно, их источник кроется в экзотических процессах, происходивших в первые доли секунды после Большого взрыва, или в свойствах ещё не открытых частиц.

Будущее на стыке лабораторных экспериментов и астрономии

Этот проект стал блестящим примером нового подхода — лабораторной астрофизики. «Наше исследование показывает, как лабораторные эксперименты могут помочь преодолеть разрыв между теорией и наблюдением, — заявил руководитель работы профессор Джанлука Грегори из Оксфордского университета. — Это также подчёркивает важность сотрудничества между экспериментальными установками по всему миру».

Окончательную точку в этой истории должны поставить будущие наблюдения. Ключевую роль здесь сыграет новая обсерватория — Массив черенковских телескопов (CTA), которая будет обладать беспрецедентной чувствительностью. Её данные позволят провести прямую проверку существования космологических магнитных полей и, возможно, раскрыть их природу, приблизив нас к пониманию фундаментальных законов, управлявших формированием структуры нашей Вселенной.