Ученые уже давно обнаружили свидетельства существования однородных, но чрезвычайно слабых магнитных полей, охватывающих межгалактические пространства, однако их источник на протяжении десятилетий оставался одной из космологических загадок.
В новой работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, исследователи связывают генерацию этих полей с природой ультралегкой темной материи. Авторы исследования, Роберт Бранденбергер, Юрг Фрёлих и их коллега Хао Цзяо, основываются на идеях, которые развивались на протяжении многих лет, включая работы 1997, 2000 и 2012 годов. Ключевую роль в их теории играет гипотетическое псевдоскалярное поле, известное как аксион, которое, как предполагается, может составлять ультралегкую темную материю. Частицы такой материи обладают чрезвычайно малой массой и крайне слабо взаимодействуют с обычным веществом.
Согласно модели, после эпохи рекомбинации, то есть спустя примерно 380 тысяч лет после Большого взрыва, когда Вселенная достаточно остыла для образования нейтральных атомов, поле аксиона начало когерентно осциллировать по всему космосу. Используя уравнения аксионэлектродинамики, ученые показали, что осцилляции аксионного поля через механизм так называемой псевдо-тахионной резонансной неустойчивости приводят к экспоненциальному росту флуктуаций электромагнитного поля. Этот эффект возникает благодаря тому, что осциллирующее поле аксиона выступает в роли раскачивающегося источника, передающего энергию электромагнитному полю.
В результате генерируются долгоживущие магнитные поля, масштабы которых простираются далеко за пределы галактических кластеров. Важно отметить, что предложенный механизм работает на относительно «поздних» этапах эволюции Вселенной, после рекомбинации, когда свет и материя больше не связаны неразрывно, что позволяет магнитным полям сохраняться вплоть до современной эпохи. Это ставит под сомнение предыдущие гипотезы о том, что для объяснения наблюдаемых полей необходимо привлекать экзотические процессы, происходившие в самом начале существования Вселенной, например, во время инфляции.
Несмотря на многообещающие результаты, исследователи признают, что многие детали их теории требуют дальнейшего изучения. В частности, необходимо понять, как именно сгенерированные магнитные поля воздействуют на саму темную материю и какая доля ее энергии переходит в энергию электромагнитного поля. Более глубокого анализа также требуют процессы до эпохи рекомбинации, где доминировали плазменные эффекты. Для решения этих задач планируется привлечь студентов университетов и провести серию численных симуляций.
Кроме того, открывается захватывающая перспектива применения этого механизма для объяснения другой космологической загадки — происхождения сверхмассивных черных дыр. В отдельной работе Хао Цзяо и Роберт Бранденбергер выдвинули гипотезу, что генерация электромагнитного излучения через предложенный ими механизм может создавать достаточный поток фотонов Лайман-Вернера. Это, в свою очередь, предотвращает фрагментацию материи, позволяя газовым облакам коллапсировать напрямую в массивные «зародыши» черных дыр, которые затем вырастают до наблюдаемых сегодня гигантов в центрах галактик.