Внутри золотого цилиндра размером с обычную батарейку температура подскакивает до 100 миллионов градусов. Это в шесть раз горячее, чем в ядре Солнца. 192 лазера бьют в одну точку, создавая условия, каких не найти больше нигде на Земле. Здесь, в Ливерморской национальной лаборатории, ученые охотятся не за дешевой энергией и не за рекордами. Они ищут ответ на вопрос, который астрономы считали закрытым еще полвека назад: кто же на самом деле вылепил из хаоса спиральные рукава галактик и гигантские нити космической паутины? Гравитация всегда была главным подозреваемым. Но теперь, глядя на пестрый, словно шкура далматинца, снимок плазмы, исследователи понимают: они только что поймали с поличным второго творца Вселенной.
В 1920-х годах Эдвин Хаббл понял с помощью телескопа, что Вселенная вовсе не ограничивается Млечным Путем, а кишит другими галактиками. Тогда же Альберт Эйнштейн представил миру общую теорию относительности — идеальное, как тогда казалось, объяснение того, как материя управляет пространством и временем. Гравитация стала главным архитектором. Она стягивала газ в звезды, звезды — в галактики, а галактики — в скопления. Теория работала как часы, и ученые успокоились: все вопросы решены.
Первая трещина пошла в 1930-х. Астроном Фриц Цвикки заметил неладное в скоплении галактик Волосы Вероники. Они вращались так быстро, что давно должны были разлететься в разные стороны, но что-то их удерживало. Цвикки назвал это невидимое «что-то» темной материей. Она не светится, но дает дополнительную гравитацию. С тех пор темная материя стала спасительным клеем для любой теории гравитации, хотя поймать ее частицы так никто и не смог.
Но был и другой голос. В середине XX века физик Ханнес Альфвен предположил, что астрономы слишком много внимания уделяют гравитации и забывают о магнетизме. Его идея казалась ересью. Магнитное поле слабое и действует только на заряженные частицы. Однако Альфвен указал на очевидное: большая часть видимой материи во Вселенной находится в состоянии плазмы — газа из заряженных ионов. А на плазму магнетизм влияет ничуть не слабее гравитации. У теории нашлись сторонники, но две проблемы сделали эту гипотезу непопулярной.
Во-первых, тогда не умели толком наблюдать магнитные поля в космосе. Во-вторых, для управления галактиками поле должно быть чудовищно сильным, а механизма такого усиления никто не знал.
К 1980-м годам спор утих. Гравитацию по умолчанию объявили победителем. Космический магнетизм, как пыльный экспонат в музее, упоминали в последнюю очередь, если вообще упоминали.
Однако Вселенная не обязана подчиняться человеческим спорам. Она продолжала подкидывать загадки, которые гравитация объяснить не могла.
Астрономы, изучая скопления галактик через рентгеновские телескопы, обратили внимание на аномальные скачки температуры. Между галактиками плещется разреженная плазма. Согласно законам физики, за миллиарды лет она должна была остыть, излучив тепло в космос. Но приборы показывали упорные 10 миллионов градусов. Плазма была горячей, как будто ее кто-то насильно удерживал и не давал остыть.
Параллельно совершенствовалась техника наблюдений. В стратосферу поднялся самолет-обсерватория SOFIA с инфракрасным телескопом на борту. Он мог видеть то, что скрыто от наземных инструментов водяным паром. Пылинки в космосе, попадая в магнитное поле, выстраиваются частоколом и поляризуют проходящий сквозь них свет.
Семь лет назад астроном Энрике Лопес Родригес работал с этим телескопом. Коллеги вводили в строй новый прибор, и Энрике предложил навести его на галактику NGC 1068 — спиральный остров в созвездии Кита. Через полчаса наблюдений ученый потерял дар речи. Магнитное поле галактики не просто существовало — оно идеально повторяло рисунок спиральных рукавов. Гравитация такого не предсказывала.
Чтобы исключить случайность, команда проверила еще два десятка галактик. Результат оказался одинаковым везде. Позже, в 2020-м, другой коллектив исследователей с помощью радиотелескопа Very Large Array в Нью-Мексико подтвердил: галактика NGC 4217 тоже пронизана огромным магнитным полем, организованным по спирали.
Но наблюдения — это одно. Они показывали лишь следствие, а не причину. Может, поле просто примагнитилось к уже готовым рукавам, а не создавало их? Главный же теоретический камень преткновения — проблема усиления — никуда не делся.
Разгадка пришла оттуда, откуда не ждали — из турбулентности. Еще в 1950-х геофизик Станислав Брагинский записал уравнения движения плазмы. Теория подсказывала, что хаотичные завихрения внутри плазмы, если их достаточно много, способны раскрутить магнитное поле до невероятных значений, словно динамо-машину. Но проверить это было нельзя: слишком сложные расчеты. Только с появлением мощных компьютеров физики смоделировали «турбулентное динамо» и поняли — оно действительно работает. Но нужен был эксперимент. Плазма должна быть раскалена до температур ранней Вселенной.
Здесь в игру вступила Джен Майнеке из Оксфордского университета. Вместе с международной командой физиков плазмы она много лет охотилась за «турбулентным динамо». Для охоты нужно было особое оружие — лазерные установки, способные создать адское пекло в лаборатории.
Эксперимент начался в 2018 году на установке Omega в Рочестере. Ученые соорудили крошечный лес из фольги и сеток на стойках. Лазер ударил по капсуле с дейтерием, превратив ее в плазму. Пролетая сквозь сетки, плазма начала бурлить, закручиваться. И тогда датчики зафиксировали стремительный рост магнитного поля. Впервые человек увидел турбулентное динамо в действии.
Но это было лишь начало. Чтобы увидеть эффект во всей красе, требовалось больше энергии. Ученые получили доступ к самому мощному лазеру в мире — Национальному комплексу зажигания в Калифорнии. Те самые 192 луча, которые обычно испытывают на прочность термоядерные мишени, настроили на создание турбулентности.
В первый же «стрелковый день» случилось неожиданное. Рентгеновские камеры, настроенные на регистрацию резкого скачка температуры, вместо однородного свечения показали пятнистую картинку. Горячие области перемежались с холодными, словно шкура далматинца. Но повторные эксперименты давали тот же узор.
Тогда до физиков дошло. Турбулентное динамо сработало так мощно, что созданное им магнитное поле само начало влиять на плазму. Оно заперло частицы в ловушке, снизив теплопроводность в сто раз. Хаос породил структуру.
Физик-плазмоид Патрик Даймонд из Калифорнийского университета в Сан-Диего назвал это серьезным прорывом. В его области — термоядерном синтезе — сильные магнитные поля используют, чтобы удержать энергию. Но там поля однородные и упорядоченные. «Здесь же мы впервые видим подавление теплопередачи в результате хаотичного, турбулентного магнитного поля», — пояснил он.
Post Scriptum
Именно эта способность — удерживать тепло — может наконец объяснить загадку раскаленной плазмы в скоплениях галактик. Магнитное поле, рожденное турбулентным динамо, способно консервировать энергию миллиарды лет, не давая веществу остыть. Поле содержит достаточно энергии, чтобы диктовать материи, как ей двигаться».
Когда ученые увидели своеобразный узор из горячих и холодных пятен в своей плазме в лаборатории, они поразились сходству с картами рентгеновского излучения далеких галактических скоплений. Идеи Альфвена, высмеянные десятилетия назад, зазвучали с новой силой.
Однако до полной революции еще далеко. Может ли магнетизм заменить темную материю? Астрономы пока осторожничают. Елена Штейн из Германского аэрокосмического центра считает, что вопрос не в том, чтобы убрать темную материю, а в том, чтобы понять сложную игру всех сил сразу. Астрономам придется всерьез, а не для галочки, учитывать магнитные поля в своих моделях.
Энрике Лопес Родригес принимает этот вызов. Он запускает трехлетнюю программу компьютерного моделирования. Ученый будет создавать виртуальные галактики с магнитными полями и без них. Только так можно проверить, действительно ли поля следуют за спиралями или они их создают.
Сто лет ученые считали гравитацию единственным скульптором космоса. Теперь, глядя на новые снимки, полученные в лаборатории, и снимки магнитных узоров далеких галактик, исследователи впервые готовы признать: скорее всего творцов космоса было двое. И вполне вероятно, что второго звали магнетизм.
-----
Еще больше интересных постов в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости