Хорошо известно, что Вселенная расширяется, но среди учёных нет согласия относительно того, как быстро это происходит.

Два лучших способа измерения скорости космического расширения — так называемая постоянная Хаббла — дают результаты, которые упорно расходятся. Это создаёт серьёзную проблему современной космологии, известную как «хаббловское напряжение».

Исследователи задались вопросом: может ли идея, изначально предложенная для объяснения другой космической загадки — происхождения космических магнитных полей — помочь разгадать тайну хаббловского напряжения.

Недавно опубликованное исследование изучает, могут ли чрезвычайно слабые магнитные поля, оставшиеся с самых первых мгновений после Большого взрыва, помочь разобраться в хаббловском напряжении и одновременно приоткрыть окно в физику при энергиях, недостижимых на Земле.

Постоянная Хаббла и напряжение

Астрономы используют постоянную Хаббла как меру скорости расширения Вселенной. Она названа в честь американского астронома Эдвина Хаббла, который первым обнаружил, что Вселенная расширяется.

Существуют два концептуально разных подхода к измерению постоянной Хаббла. Первый — косвенный, основанный на предсказаниях космологической модели, настроенной под структуру реликтового излучения — слабого послесвечения Большого взрыва.

Такие телескопы, как космический аппарат Planck, измерили крошечные флуктуации этого древнего света, предсказав постоянную Хаббла около 67 км/с на мегапарсек (км/с/Мпк). Парсек — единица расстояния в астрономии, равная примерно 3,26 светового года, или 30,9 трлн километров. Мегапарсек — это миллион парсеков.

Второй метод более прямой, похожий на тот, что использовал Хаббл в 1920-х годах, впервые показав, что Вселенная расширяется.

Он измеряет, как быстро далёкие галактики удаляются от нашей галактики Млечный Путь, наблюдая яркость взрывов сверхновых в этих далёких галактиках.

Сверхновые типа Ia известны как «стандартные свечи», поскольку их светимость одинакова везде. Это позволяет судить о расстоянии до них по тому, насколько тусклыми они нам кажутся.

Для определения их истинной яркости астрономы используют другие стандартные свечи, например цефеиды, в близлежащих галактиках. Эти наблюдения, выполненные с помощью космических телескопов «Хаббл» и «Джеймс Уэбб», дают более высокое значение — около 73 км/с/Мпк.

Эта разница между двумя измерениями и называется хаббловским напряжением. Разница между 67 и 73 может показаться небольшой, но статистически она крайне значима. Если оба метода верны, значит, в нашей стандартной космологической модели упущено что-то важное.

Откуда взялись космические магнитные поля?

Магнитные поля присутствуют во Вселенной повсюду. Планеты и звёзды генерируют собственные поля, но пробелы в понимании возникают, когда мы пытаемся объяснить магнитные поля гораздо большего масштаба, пронизывающие галактики и их скопления, а возможно, и космические пустоты.

Одна из давно изучаемых возможностей состоит в том, что магнетизм впервые возник в очень ранней Вселенной, задолго до образования первых звёзд и галактик. Эти так называемые первичные магнитные поля изучаются десятилетиями, а поиск их следов в реликтовом излучении и других данных позволяет исследовать раннюю Вселенную и экстремальные энергии, которые могли бы породить эти поля.

В 2011 году двое из авторов (Карстен и Том) указали, что первичные магнитные поля повлияли бы на рекомбинацию — момент, когда электроны и протоны впервые соединились, образовав нейтральный водород, — и Вселенная из непрозрачной стала прозрачной. Первый свет, able свободно распространяться с этого момента, — это то, что мы сейчас наблюдаем как реликтовое излучение.

Если бы первичные магнитные поля существовали, они ускорили бы рекомбинацию, воздействуя на заряженные частицы, делая материю слегка комковатой. Там, где частиц больше, они чаще встречаются и образуют водород.

Смещение момента, когда Вселенная становится прозрачной, меняет размер наблюдаемых структур в реликтовом излучении. Это фактически изменяет космическую «линейку», используемую для измерения расстояний, и, в свою очередь, значение постоянной Хаббла, выводимое из модели, помогая ослабить хаббловское напряжение. В 2020 году двое из авторов (Карстен и Левон) продемонстрировали этот эффект с помощью упрощённой модели рекомбинации.

Прорыв: что мы обнаружили

В новой работе мы использовали первые полные трёхмерные симуляции первичной плазмы со встроенными в неё магнитными полями, отслеживая образование водорода.

Историю образования водорода, полученную в этих симуляциях, мы использовали для расчёта того, как должно выглядеть реликтовое излучение при наличии первичных магнитных полей, и проверили эти предсказания на данных наблюдений.

Реликтовое излучение чрезвычайно чувствительно к изменениям рекомбинации. Если бы первичные магнитные поля меняли его так, что это противоречило бы наблюдениям, идею можно было бы отвергнуть. Однако данные показали, что наше предложение остаётся жизнеспособным.

При различных комбинациях наборов данных мы находим устойчивое, умеренное предпочтение в пользу первичных магнитных полей — от примерно 1,5 до трёх стандартных отклонений. Это пока не открытие, но значимая подсказка на их существование.

Не менее важно, что напряжённость полей, предпочитаемая данными — около 5–10 пикогаусс сегодня, — близка к той, что нужна для возникновения магнитных полей галактик и их скоплений исключительно из первичных «семян». Пикогаусс — единица измерения напряжённости магнитного поля.

Помимо помощи в ослаблении хаббловского напряжения, подтверждение первичных магнитных полей открыло бы новое окно в то, какой была Вселенная, когда ей было всего доли секунды, возможно, позволяя заглянуть в такие важные события, как сам Большой взрыв.

Наши результаты показывают, что предложение выдерживает самую детальную на сегодня проверку и даёт чёткие цели для будущих наблюдений. В ближайшие несколько лет мы узнаем, помогли ли крошечные магнитные поля из зари времён сформировать наблюдаемую нами Вселенную и лежит ли в них ключ к разрешению хаббловского напряжения.

Источники:

sciencedaily.com

Материалы предоставлены The Conversation. Оригинальный текст написан Левоном Погосяном, Карстеном Едамзиком и Томом Абелем.

Karsten Jedamzik, Levon Pogosian, Tom Abel. Hints of primordial magnetic fields at recombination and implications for the Hubble tension. Nature Astronomy, 2025; 10 (2): 317 DOI: 10.1038/s41550-025-02737-x