Honnan származik az Univerzum mágneses tere? A James Webb-űrtávcső az ősi kozmikus mágneses mezők nyomában – Csizmadia Szilárd
A Világegyetem mágneses. Mágneses tér veszi körül a Földet, a Napot, sok csillagot, a galaxisokat, sőt galaxishalmazokat is. A nagy kérdés azonban régóta az: honnan származtak az első mágneses terek, amelyeket később a galaxisok forgása, turbulenciája és dinamóhatása felerősíthetett? Ezeket idegen eredetű szóval primordiális, vagyis ősi, vagy még inkább: eredeti, sőt őseredeti mágneses térnek nevezik a csillagászatban.
A kozmológiában megmutatják, hogy már a nagyon fiatal Univerzumban, például az infláció vagy korai fázisátmenetek idején létrejöhettek gyenge, ősi — szaknyelven primordiális — mágneses mezők. Ezek jóval a ma ismert csillagok és galaxisok kialakulása előtt keletkeztek, sőt, még az Ősrobbanás utáni kor első másodpercének befejeződése előtt (pl. az infláció korszaka a standard kozmológia szerint a 10-35-től a 10-33 másodpercig tartott.) Ezek ma már közvetlenül nemigen mérhetők, de hatásuk nyomot hagyhatott a kozmikus szerkezetek fejlődésén.
A primordiális mágneses mezők azért érdekesek, mert nemcsak „passzív maradványai” lennének a korai Univerzumnak. A töltött részecskékre ható Lorentz-erő révén befolyásolhatják az ionizált barionos anyag mozgását, és ezzel kis skálákon módosíthatják az anyagsűrűség-ingadozásokat. Magyarul: ha az ősi mágneses tér elég erős volt, akkor elősegíthette a kisebb sötétanyag-hálók és az ezekben kialakuló korai galaxisok létrejöttét. Egy most megjelent tanulmány éppen ezt a hatást vizsgálta a James Webb Űrtávcsővel (JWST) megfigyelt nagyon távoli galaxisok alapján.
Malcolm Fairbairn, María Olalla Olea-Romacho, Juan Urrutia és Ville Vaskonen friss arXiv-cikke nem azt állítja, hogy megtalálta az ősi mágneses mezőket, hanem felső határt adott az erősségükre. (A felső határérték azt jelenti, hogy az őseredeti mágneses térerősség ennél az értéknél biztosan kisebb volt – de azt nem tudjuk, mennyivel kisebb.) A szerzők a Hubble Űrtávcső és JWST-megfigyelésekből származó luminozitásfüggvényt használták: ez megmondja, hogy adott vöröseltolódásnál mennyi különböző fényességű fiatal galaxis találhat. Ebből is az érdekelte őket, hogy – a vöröseltolódás miatti hullámhossz-változást is figyelembe véve – hogyan változik a vöröseltolódás mértékével az ultraibolya luminozitásfüggvény? (Ne feledjük, hogy a 300 nm-es hullámhosszú fény z=10-es vöröseltolódásnál már az infravörösben, 3,3 mikrométernél látszódik!) Modellszámításokal megondható, hogy különböző erősségű mágneses tér mellett mennyi kistömegű galaxis keletkezik. Kiválasztva azt a modellt, amelyik megegyezik a megfigyelésekkel, a mágneses tér erősségére tehetünk állításokat. A mágneses tér által felerősített kis skálájú szerkezetképződés főként a halvány, kistömegű galaxisok számát növelné. A kutatók szerint a JWST-adatok ezt nem igénylik: a megfigyelések a standard hideg sötét anyagos képpel is jól leírhatók, ha a csillagkeletkezési modellt megfelelően kezelik.
A legerősebb korlát azonban nem közvetlenül a galaxisok számából, hanem a reionizáció történetéből adódott. A reionizáció az a korszak, amikor az első csillagok és galaxisok ultraibolya sugárzása újra ionizálta az intergalaktikus hidrogéngázt. Ha az ősi mágneses tér túl erős lett volna, túl sok kis galaxis és túl sok ionizáló foton jött volna létre nagyon korán. A modellben ez egy jellegzetes, „kettős reionizációs” történetet okozna, körülbelül z ≈ 24 vöröseltolódásnál, ami nincs összhangban a kozmikus mikrohullámú háttérből mért optikai mélységgel. A Planck-műhold végső kozmológiai eredményei szerint a reionizációs optikai mélység τ = 0,054 ± 0,007, ez pedig erősen korlátozza az ilyen korai ionizációs többletet.
A tanulmány fő számszerű eredménye: a nem helikális primordiális mágneses mezőkre a reionizáció alapján 95%-os megbízhatósági szinten 0,18-0,27 nanogauss maximális térerősség adódik, attól függően, mekkora a reionizáció. Ez nagyon gyenge mágneses tér: a „nanogauss” a gauss milliárdod része. A csak galaxis-luminozitásfüggvényből kapott határ ennél lazább, kb. 0,85–0,87 nanogauss, vagyis a reionizációs történet sokkal érzékenyebb próba. A Föld mágneses terének erőssége kontinenstől függően 0,3 – 0,6 gauss között változik a felszínen.
Az előrelépés tehát kettős. Egyrészt a JWST által feltárt korai galaxisok már nemcsak a galaxiskeletkezés, hanem a korai Univerzum részecske- és plazmafizikai folyamatai szempontjából is fontos mérőeszközzé váltak. Másrészt a cikk megmutatja, hogy az ősi mágneses mezők kérdését nemcsak a kozmikus mikrohullámú háttérrel, a Lyman-α-erdővel vagy blazármegfigyelésekkel lehet vizsgálni, ahogy tettök koräbban, hanem a legelső galaxisok statisztikájával és a reionizáció történetével is. A Planck korábbi eredményei néhány nanogauss alatti határokat adtak a primordiális mágneses mezőkre, míg az új JWST-reionizációs megközelítés bizonyos modellekben már néhány tized nanogaussos tartományba szorítja le a megengedett értékeket.
Fontos hangsúlyozni, hogy ez nem az őseredeti máneses tér közvetlen detektálása volt, hanem egy kizárásos érvelésen alapuló felső határérték megadása. A szerzők azt mutatták meg, hogy ha az ősi mágneses tér túl erős lett volna, akkor a korai Univerzumban túl sok kis galaxis és túl korai ionizáció jelent volna meg. Mivel ezt sem a JWST galaxisstatisztikája, sem a Planck optikai mélysége nem támasztja alá, a primordiális mágneses mezőknek — legalábbis a vizsgált modellcsaládban — rendkívül gyengéknek kellett lenniük.
A nagy kérdés tehát továbbra is nyitott: vajon a ma látott kozmikus mágneses terek valóban az Ősrobbanás utáni korból származnak-e, vagy későbbi asztrofizikai folyamatok hozták létre őket? A modellszámításoknak a mostani nagyon szigorú mérési eredmény tetszjén is át kell menniük.
Források:
Fairbairn et al.: JWST Constraints on Primordial Magnetic Fields, https://arxiv.org/abs/2604.24835
Subramanina, K: The origin, evolution and signatures of primordial magnetic fields, https://arxiv.org/abs/1504.02311
Planck 2015 results. XIX. Constraints on primordial magnetic fields, https://arxiv.org/abs/1502.01594
Related posts:
Vessünk véget a „sötétség korának”! – Nagy Zsófia
Mai kép: a Centaurus A közepe (Cs. Sz.)
Zalaegerszegről is lefotózták a James Webb Űrtávcsövet – Mezei Balázs
A James Webb Űrtávcső véletlenül felfedezett egy galaxist – Csizmadia Szilárd
Megmentenék az űrszeméttől a Hubble Űrtávcsövet – Csizmadia Szilárd
