L’universo magnetico nascosto inizia a venire alla luce
Ogni volta che gli astronomi trovano un nuovo modo di cercare campi magnetici in regioni sempre più remote del cosmo, inspiegabilmente li trovano.
Questi campi di forza – le stesse entità che emanano dai magneti del frigorifero – circondano la Terra, il sole e tutte le galassie. Venti anni fa, gli astronomi hanno iniziato a rilevare il magnetismo che permeava interi ammassi di galassie, compreso lo spazio tra una galassia e la successiva. Linee di campo invisibili piombano nello spazio intergalattico come le scanalature di un'impronta digitale.
L'anno scorso, gli astronomi sono finalmente riusciti a esaminare una regione dello spazio molto più rara – la distesa tra ammassi di galassie. Lì, hanno scoperto il più grande campo magnetico finora: 10 milioni di anni luce di spazio magnetizzato che copre l'intera lunghezza di questo "filamento" della rete cosmica. Un secondo filamento magnetizzato è già stato individuato altrove nel cosmo per mezzo delle stesse tecniche. "Probabilmente stiamo solo guardando la punta dell'iceberg," ha dichiarato Federica Govoni dell'Istituto Nazionale di Astrofisica di Cagliari, in Italia, che ha guidato la prima scoperta.
La domanda è: da dove provengono questi enormi campi magnetici?
"Chiaramente non può essere correlato all'attività di singole galassie o singole esplosioni o, non so, venti di supernovae", ha detto Franco Vazza , un astrofisico dell'Università di Bologna che realizza simulazioni al computer all'avanguardia di campi magnetici cosmici. "Questo va ben oltre."
Una possibilità è che il magnetismo cosmico sia primordiale, risalendo fino alla nascita dell'universo. In tal caso, il magnetismo debole dovrebbe esistere ovunque, anche nei "vuoti" della rete cosmica – le regioni più oscure e vuote dell'universo. Il magnetismo onnipresente avrebbe seminato i campi più forti che fiorivano in galassie e ammassi.
Il magnetismo primordiale potrebbe anche aiutare a risolvere un altro enigma cosmologico noto come tensione di Hubble – probabilmente l'argomento più caldo in cosmologia.
Il problema alla base della tensione di Hubble è che l'universo sembra espandersi in modo significativamente più veloce del previsto sulla base dei suoi ingredienti noti. In un articolo pubblicato online ad aprile e in revisione con Physical Review Letters , i cosmologi Karsten Jedamzik e Levon Pogosian sostengono che i deboli campi magnetici nell'universo primordiale porterebbero al più veloce tasso di espansione cosmica visto oggi.
Il magnetismo primordiale allevia la tensione di Hubble così semplicemente che il documento di Jedamzik e Pogosian ha attirato rapidamente l'attenzione. "Questo è un eccellente documento e un'idea", ha detto Marc Kamionkowski , un cosmologo teorico alla Johns Hopkins University che ha proposto altre soluzioni alla tensione di Hubble.
Kamionkowski e altri affermano che sono necessari ulteriori controlli per garantire che il magnetismo iniziale non elimini altri calcoli cosmologici. E anche se l'idea funziona su carta, i ricercatori dovranno trovare prove conclusive del magnetismo primordiale per essere sicuri che sia l'agente mancante che ha modellato l'universo.
Eppure, in tutti gli anni di discussione sulla tensione di Hubble, è forse strano che nessuno abbia mai considerato il magnetismo prima. Secondo Pogosian, che è professore alla Simon Fraser University in Canada, la maggior parte dei cosmologi difficilmente pensa al magnetismo. "Tutti sanno che è uno di quei grandi enigmi", ha detto. Ma per decenni, non è stato possibile stabilire se il magnetismo sia veramente onnipresente e quindi una componente primordiale del cosmo, quindi i cosmologi hanno in gran parte smesso di prestare attenzione.
Nel frattempo, gli astrofisici continuavano a raccogliere dati. Il peso delle prove ha portato la maggior parte di loro a sospettare che il magnetismo sia effettivamente ovunque.
L'anima magnetica dell'Universo
Nel 1600, gli studi dello scienziato inglese William Gilbert sulle pietre del lastrico – rocce naturalmente magnetizzate che la gente aveva trasformato in bussole per migliaia di anni – lo portarono a pensare che la loro forza magnetica "imitasse un'anima". Ha correttamente ipotizzato che la Terra stessa sia un "grande magnete" e che le pietre miliari "guardino verso i poli della Terra".
I campi magnetici sorgono ogni volta che si verificano flussi di carica elettrica. Il campo terrestre, ad esempio, emana dalla sua "dinamo" interna, la corrente del ferro liquido che agita nel suo nucleo. I campi di magneti per il frigo e di pietre naturali provengono da elettroni che ruotano attorno ai loro atomi costituenti.
Tuttavia, una volta che un campo magnetico "seed" nasce da particelle cariche in movimento, può diventare più grande e più forte allineando con esso i campi più deboli. Il magnetismo "è un po 'come un organismo vivente", ha detto Torsten Enßlin , un teorico astrofisico presso il Max Planck Institute for Astrofysics di Garching, in Germania, "perché i campi magnetici attingono a ogni fonte di energia libera su cui possono aggrapparsi e crescere. Possono diffondersi e influenzare altre aree con la loro presenza, dove crescono anche loro ”.
Ruth Durrer , un cosmologo teorico dell'Università di Ginevra, ha spiegato che il magnetismo è l'unica forza a parte la gravità che può modellare la struttura su larga scala del cosmo, perché solo il magnetismo e la gravità possono "raggiungerti" su vaste distanze. L'elettricità, al contrario, è locale e di breve durata, poiché la carica positiva e negativa in qualsiasi regione neutralizzerà nel complesso. Ma non puoi cancellare i campi magnetici; tendono ad accumularsi e sopravvivere.
Nonostante tutto il loro potere, questi campi di forza mantengono bassi i profili. Sono irrilevanti, percepibili solo quando agiscono su altre cose. “Non puoi semplicemente scattare una foto di un campo magnetico; non funziona così ", ha detto Reinout van Weeren , un astronomo dell'Università di Leida che è stato coinvolto nelle recenti rilevazioni di filamenti magnetizzati.
Nel loro articolo dell'anno scorso, Van Weeren e 28 co-autori hanno dedotto la presenza di un campo magnetico nel filamento tra i cluster di galassie Abell 399 e Abell 401 dal modo in cui il campo reindirizza elettroni ad alta velocità e altre particelle cariche che lo attraversano. Mentre i loro percorsi si contorcono nel campo, queste particelle cariche rilasciano deboli "radiazioni di sincrotrone".
Il segnale di sincrotrone è più forte alle basse frequenze radio, rendendolo maturo per il rilevamento da parte di LOFAR, un array di 20.000 antenne radio a bassa frequenza diffuse in tutta Europa.
Il team ha effettivamente raccolto dati dal filamento nel 2014 in un singolo tratto di otto ore, ma i dati sono rimasti in attesa mentre la comunità della radioastronomia ha trascorso anni a capire come migliorare la calibrazione delle misurazioni LOFAR. L'atmosfera terrestre rifrange le onde radio che la attraversano, quindi LOFAR vede il cosmo come se fosse sul fondo di una piscina. I ricercatori hanno risolto il problema rintracciando le oscillazioni dei "beacon" nel cielo – emettitori radio con posizioni note con precisione – e correggendo tale oscillazione per rendere deboli tutti i dati. Quando hanno applicato l'algoritmo di sbavatura ai dati del filamento, hanno subito visto il bagliore delle emissioni di sincrotrone.
Il filamento sembra magnetizzato dappertutto, non solo vicino agli ammassi di galassie che si muovono l'uno verso l'altro da entrambe le estremità. I ricercatori sperano che un set di dati di 50 ore che stanno analizzando ora rivelerà maggiori dettagli. Ulteriori osservazioni hanno recentemente scoperto campi magnetici che si estendono in un secondo filamento. I ricercatori hanno in programma di pubblicare presto questo lavoro.
La presenza di enormi campi magnetici in almeno questi due filamenti fornisce importanti nuove informazioni. "Ha stimolato un po 'di attività", ha detto van Weeren, "perché ora sappiamo che i campi magnetici sono relativamente forti".
Una luce attraverso i vuoti
Se questi campi magnetici sorgessero nell'universo infantile, la domanda diventa: come? "La gente ha pensato a questo problema per molto tempo", ha detto Tanmay Vachaspati dell'Arizona State University.
Nel 1991, Vachaspati propose che durante la transizione di fase elettrodebole potessero sorgere campi magnetici – il momento, una frazione di secondo dopo il Big Bang, quando le forze nucleari elettromagnetiche e deboli divennero distinte. Altri hanno suggerito che il magnetismo si materializzò microsecondi più tardi, quando si formarono i protoni. O subito dopo: il defunto astrofisico Ted Harrison sostenne nella prima teoria della magnetogenesi primordiale nel 1973 che il turbolento plasma di protoni ed elettroni avrebbe potuto far ruotare i primi campi magnetici. Altri ancora hanno proposto che lo spazio si sia magnetizzato prima di tutto questo, durante l'inflazione cosmica – l'esplosiva espansione dello spazio che presumibilmente ha dato il via al Big Bang stesso. È anche possibile che non sia accaduto fino alla crescita delle strutture un miliardo di anni dopo.
Il modo per testare le teorie della magnetogenesi è studiare il modello dei campi magnetici nelle zone più incontaminate dello spazio intergalattico, come le parti tranquille dei filamenti e i vuoti ancora più vuoti. Alcuni dettagli, come ad esempio se le linee del campo sono lisce, elicoidali o "curvate in ogni modo, come un gomitolo di lana o qualcosa del genere" (per Vachaspati), e come il modello cambia in luoghi diversi e su scale diverse – contengono informazioni ricche che può essere paragonato a teoria e simulazioni. Ad esempio, se i campi magnetici si presentassero durante la transizione di fase elettrodebole, come proposto da Vachaspati, le linee di campo risultanti dovrebbero essere elicoidali, "come un cavatappi", ha detto.
Il problema è che è difficile rilevare campi di forza che non hanno nulla da spingere.
Un metodo, introdotto dallo scienziato inglese Michael Faraday nel 1845, rileva un campo magnetico dal modo in cui ruota la direzione di polarizzazione della luce che lo attraversa. La quantità di "rotazione di Faraday" dipende dalla forza del campo magnetico e dalla frequenza della luce. Quindi misurando la polarizzazione a frequenze diverse, è possibile inferire la forza del magnetismo lungo la linea di vista. "Se lo fai da luoghi diversi puoi creare una mappa 3D", ha detto Enßlin.
I ricercatori hanno iniziato a effettuare misurazioni approssimative della rotazione di Faraday utilizzando LOFAR, ma il telescopio ha difficoltà a rilevare il segnale estremamente debole. Valentina Vacca , astronoma e collega di Govoni presso l'Istituto Nazionale di Astrofisica, alcuni anni fa ha ideato un algoritmo per prendere in giro statisticamente sottili segnali di rotazione di Faraday, raggruppando insieme molte misurazioni di luoghi vuoti. "In linea di principio, questo può essere utilizzato per i vuoti", ha detto Vacca.
Ma la tecnica di Faraday decollerà davvero quando il radiotelescopio di prossima generazione, un gigantesco progetto internazionale chiamato Square Kilometer Array, inizierà nel 2027. "SKA dovrebbe produrre una fantastica griglia di Faraday", ha affermato Enßlin.
Per ora, l'unica prova del magnetismo nei vuoti è ciò che gli osservatori non vedono quando guardano oggetti chiamati blasoni situati dietro i vuoti.
I blazar sono fasci luminosi di raggi gamma e altra luce energetica e materia alimentata da buchi neri supermassicci. Mentre i raggi gamma viaggiano attraverso lo spazio, a volte si scontrano con antiche microonde, trasformandosi in un elettrone e in un positrone di conseguenza. Queste particelle quindi si consumano e si trasformano in raggi gamma a bassa energia.
Ma se la luce del blazar attraversa un vuoto magnetizzato, i raggi gamma di energia inferiore appariranno mancanti, ragionò Andrii Neronov e Ievgen Vovk dell'Osservatorio di Ginevra nel 2010. Il campo magnetico devia gli elettroni e i positroni dalla linea di vista. Quando decadono in raggi gamma a bassa energia, quei raggi gamma non saranno puntati su di noi.
In effetti, quando Neronov e Vovk hanno analizzato i dati di un blazar opportunamente localizzato, hanno visto i suoi raggi gamma ad alta energia, ma non il segnale dei raggi gamma a bassa energia. "È l'assenza di un segnale che è un segnale", ha detto Vachaspati.
Un non-segnale è appena una pistola fumante e sono state suggerite spiegazioni alternative per i raggi gamma mancanti. Tuttavia, le osservazioni di follow-up hanno sempre più indicato l'ipotesi di Neronov e Vovk secondo cui i vuoti sono magnetizzati. "È l'opinione della maggioranza", ha detto Durrer. In modo più convincente, nel 2015, un team ha sovrapposto molte misurazioni di blazar dietro i vuoti e è riuscito a stuzzicare un debole alone di raggi gamma a bassa energia attorno ai blazar. L'effetto è esattamente quello che ci si aspetterebbe se le particelle venissero disperse da deboli campi magnetici, misurando solo circa un milionesimo di trilione forte quanto quello di un magnete da frigorifero.
Il più grande mistero della cosmologia
Sorprendentemente, questa esatta quantità di magnetismo primordiale potrebbe essere proprio ciò che è necessario per risolvere la tensione di Hubble, il problema dell'espansione curiosamente veloce dell'universo.
Questo è ciò che Pogosian ha realizzato quando ha visto recenti simulazioni al computer di Karsten Jedamzik dell'Università di Montpellier in Francia e un collaboratore. I ricercatori hanno aggiunto campi magnetici deboli a un universo simulato pieno di plasma e hanno scoperto che i protoni e gli elettroni nel plasma volavano lungo le linee del campo magnetico e si accumulavano nelle regioni con intensità di campo più debole. Questo effetto aggregante ha fatto sì che i protoni e gli elettroni si combinassero in idrogeno – un cambiamento di fase iniziale noto come ricombinazione – prima di quanto avrebbero altrimenti.
Pogosian, leggendo il documento di Jedamzik, vide che questo poteva affrontare la tensione di Hubble. I cosmologi calcolano quanto lo spazio veloce dovrebbe espandersi oggi osservando la luce antica emessa durante la ricombinazione. La luce mostra un universo giovane tempestato di macchie che si sono formate da onde sonore che strisciano nel plasma primordiale. Se la ricombinazione avvenisse prima del previsto a causa dell'effetto aggregante dei campi magnetici, allora le onde sonore non avrebbero potuto propagarsi tanto prima e le chiazze risultanti sarebbero più piccole. Ciò significa che le chiazze che vediamo nel cielo dal momento della ricombinazione devono essere più vicine a noi di quanto supponessero i ricercatori. La luce proveniente dalle macchie deve aver percorso una distanza più breve per raggiungerci, il che significa che la luce deve aver attraversato lo spazio in più rapida espansione. “È come provare a correre su una superficie in espansione; percorri meno distanza ", ha detto Pogosian.
Il risultato è che i blob più piccoli significano un tasso di espansione cosmica inferito più alto – portando il tasso inferito molto più vicino alle misurazioni della velocità con cui le supernove e gli altri oggetti astronomici sembrano effettivamente volare a pezzi.
"Ho pensato, wow", ha detto Pogosian, "questo potrebbe indicarci la presenza effettiva. Quindi ho scritto immediatamente Karsten. " I due si sono riuniti a Montpellier a febbraio, poco prima del blocco. I loro calcoli indicavano che, in effetti, la quantità di magnetismo primordiale necessaria per affrontare la tensione di Hubble concorda anche con le osservazioni di blazar e la dimensione stimata dei campi iniziali necessari per far crescere gli enormi campi magnetici che attraversano ammassi e filamenti di galassie. "Quindi tutto si riunisce", ha detto Pogosian, "se questo risulta essere giusto."
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/the-hidden-magnetic-universe-begins-to-come-into-view-20200702/ in data Thu, 02 Jul 2020 14:28:55 +0000.