Το μαγνητικό πεδίο που καταβρόχθιζε γαλαξίες

Από την ιστοσελίδα Physical Review Focus, Δεκέμβριος 2003

Τα μαγνητικά πεδία θα μπορούσαν να έχουν μεγάλη επιτυχία στον κινηματογράφο ως τέρατα. Ένα τέτοιο πεδίο έχει ήδη καταπιεί τον γαλαξία μας, και κανείς δεν ξέρει από που και πότε ήρθε. 

Πράγματι η πιο πρόσφατη και πλήρης εξομοίωση που έγινε στον υπολογιστή, και δημοσιεύεται στο περιοδικό Physical Review Letters της 19ης Δεκεμβρίου 2003, ενίσχυσε την αμφιλεγόμενη θεωρία ότι τα μαγνητικά πεδία έχουν τυλίξει όλους τους γαλαξίες ήδη από την εποχή του σχηματισμού τους. Τα αποτελέσματα αυτά της εξομοίωσης μπορεί να οδηγήσουν σε προβλέψεις, τις οποίες οι αστρονόμοι μπορούν να ελέγξουν, κι έτσι να διατυπωθεί μια οριστική θεωρία για την προέλευση των μυστηριωδών αυτών μαγνητικών πεδίων.  

Δεν είναι ο Godzilla, αλλά μυστηριώδη μαγνητικά πεδία που έχουν καταπιεί τον γαλαξία μας και πιθανότατα και πολλούς άλλους ακόμη. Περίπλοκες εξομοιώσεις στον υπολογιστή, υποστηρίζουν την αμφιλεγόμενη θεωρία ότι τα πεδία αυτά είναι υπολείμματα του Big Bang και εξελίχθηκαν στη μορφή που παρατηρούμε σήμερα. 

Οι αστρονόμοι ανιχνεύουν τα μαγνητικά πεδία από τα αποτελέσματά τους στις κοσμικές ακτίνες και στην πόλωση του φωτός που εκπέμπεται από τα μακρινά ουράνια αντικείμενα. Πεδία με ένταση 1 microgauss (ένα εκατομμυριοστό της έντασης του γήινου μαγνητικού πεδίου) φαίνεται ότι υπάρχουν σε όλους τους γαλαξίες που έχουμε παρατηρήσει ως τώρα, αλλά η προέλευσή τους παραμένει ένα από τα μεγάλα μυστήρια της εξέλιξης του Σύμπαντος. Μια θεωρία λέει ότι ασθενικά  "πεδία σπόροι" που προϋπήρχαν σε μικρούς θύλακες εντός των γαλαξιών, αναταράχθηκαν από τυχαίους στροβίλους και ενισχύθηκαν με ένα φαινόμενο που λέγεται "φαινόμενο δυναμό". Το πρόβλημα είναι ότι οι θεωρητικοί δεν ξέρουν πως ακριβώς δουλεύει αυτό το φαινόμενο. 

Άλλοι πιστεύουν ότι αυτά τα πεδία γεννήθηκαν αμέσως μετά το Big Bang. Καθώς η πύρινη σφαίρα ψυχόταν και οι 4 θεμελιώδεις δυνάμεις περνούσαν από διαδικασίες μεταβολών φάσης, οι θεωρίες προβλέπουν ότι τυχαία χωρίς κανονικότητα μαγνητικά πεδία θα μπορούσαν να εμφανιστούν ως παράπλευρα φαινόμενα. Αυτά τα πρώιμα πεδία θα μπορούσαν επίσης να έχουν βοηθήσει στη συγκέντρωση της ύλης στους γαλαξίες. Αλλά όπως λέει ο Karsten Jedamzik του πανεπιστημίου  Montpellier στη Γαλλία, οι περισσότεροι ερευνητές πιστεύουν ότι τα πρωταρχικά πεδία θα είχαν διαχυθεί με την πάροδο του χρόνου, κι έτσι ακόμα και σ' αυτό το σενάριο, χρειάζεται μια διαδικασία δυναμό για να τα ενισχύσει μέχρι την ένταση που παρατηρούμε σήμερα. 

Για να εξακριβώσει αν μια τέτοια ενίσχυση είναι απαραίτητη, ο Jedamzik συνεργάστηκε με τον Robi Banerjee του πανεπιστημίου  McMaster στο Hamilton του Καναδά. Μοντελοποίησαν την εξέλιξη των μαγνητικών πεδίων με μια πληρέστερη σε σχέση με όλες τις προηγούμενες εξομοίωση στον υπολογιστή. Η ομάδα χρησιμοποίησε μη γραμμικές εξισώσεις για την εξομοίωση, μια πιο ακριβή αλλά χρονοβόρο μέθοδο, σε σχέση με τις γραμμικές προσεγγίσεις. 

Οι γραμμικές εξισώσεις δεν μπορούν να περιγράψουν εύκολα την ιδιότητα έλικος των μαγνητικών πεδίων, μια ιδιότητα που εμποδίζει την υποβάθμιση μεγάλου μέρους της ενέργειας του πεδίου σε θερμότητα, λέει ο Banerjee. Προσθέτοντας την ελικότητα στο "μίγμα" του μοντέλου, οι ερευνητές μπόρεσαν να κάνουν ρεαλιστικές προβλέψεις για την εξέλιξη των μαγνητικών πεδίων, από την εποχή του Big Bang μέχρι την εποχή που άρχισαν να σχηματίζονται οι γαλαξίες, πριν από 10 δισεκατομμύρια χρόνια. Από αυτό το σημείο και μετά η ομάδα χρησιμοποίησε προηγούμενες εξομοιώσεις άλλων ομάδων για να προβλέψει τα σημερινά μαγνητικά πεδία. 

Οι Jedamzik και Banerjee βρήκαν ότι η ενέργεια από τη μετατροπή φάσης και μόνον, ήταν αρκετή για να εξηγήσει τα σημερινά μαγνητικά πεδία, χωρίς να χρειάζεται κάποιος μηχανισμός για την ενίσχυσή τους. Αν και η ένταση του πεδίου ήταν ένα τρισεκατομμύριο φορές μικρότερη στο τέλος της εξομοίωσης απ' ότι ήταν στην αρχή της, η ελάττωση αυτή δεν ήταν τόσο μεγάλη όσο περίμεναν άλλοι αστροφυσικοί. Τα αποτελέσματα έδειξαν επίσης ότι τα πρωταρχικά πεδία διαχέονται βαθμιαία και γίνονται ομαλότερα στην κλίμακα μεγέθους ενός σμήνους γαλαξιών, πράγμα που ταιριάζει με τις παρατηρήσεις των αστρονόμων. 

Ο Banerjee λέει ότι η εξομοίωση θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να γίνουν προβλέψεις για τις ιδιότητες της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου - τα υπολείμματα της λάμψης που έμειναν από το Big Bang - η οποία σήμερα μετρείται με μεγάλη λεπτομέρεια. Τέτοιοι υπολογισμοί θα μπορούσαν κατ' αρχήν να δώσουν ένα τέλος στη διαμάχη για τις καταβολές των μαγνητικών πεδίων, αν επιβεβαιωθούν ή καταρριφθούν από μελλοντικές μετρήσεις. 

Ο Hector Rubinstein του Πανεπιστημίου της Στοκχόλμης στη Σουηδία, συμφωνεί ότι χρειάζονται  περισσότερες παρατηρήσεις για να λυθεί το μυστήριο. Οι Banerjee και Jedamzik έχουν κάνει μια καλή δουλειά, λέει ο ίδιος, αλλά δεν φτάνουν μόνο οι εξισώσεις για να λύσουμε το θέμα. 

Αναφορά: 
Are Cluster Magnetic Fields Primordial?
Robi Banerjee and Karsten Jedamzik
Phys. Rev. Lett. 91, 251301