Wyniki tych przełomowych badań, opublikowane w czasopiśmie PNAS, rzucają nowe światło na jedną z większych tajemnic współczesnej astronomii. Chodzi o brakujące promieniowanie gamma, które teoretycznie powinno docierać do Ziemi, ale jakoś umyka detekcji przez teleskopy kosmiczne. To odkrycie może mieć fundamentalne znaczenie dla naszego rozumienia zarówno ukrytych pól magnetycznych Wszechświata, jak i jego wczesnej historii.
Plazmowe kule ognia stworzone w laboratorium
Blazary to szczególny rodzaj aktywnych galaktyk zasilanych przez supermasywne czarne dziury. Wyrzucają one wąskie strugi cząstek i promieniowania skierowane bezpośrednio w stronę Ziemi. Te kosmiczne akceleratory poruszają się z prędkością bliską prędkości światła, generując przy tym intensywną emisję promieni gamma o energii sięgającej kilku teraelektronowoltów.
Czytaj też: Rozbłysk gamma, który zaskoczył naukowców na całym świecie. Jego trwanie przeczy dotychczasowej wiedzy
Problem pojawia się, gdy te wysokoenergetyczne promienie przemierzają przestrzeń międzygalaktyczną. Zgodnie z obowiązującymi teoriami, powinny one zderzać się z słabym światłem tła gwiazd, tworząc kaskady par elektron-pozyton. Te pary cząstek następnie miałyby oddziaływać z kosmicznym mikrofalowym tłem, generując promieniowanie gamma o niższej energii. Tyle mówi teoria, jednak w praktyce teleskopy, takie jak satelita Fermi nie rejestrują tych spodziewanych promieni.
Przez lata naukowcy proponowali różne wyjaśnienia tej anomalii. Jedna z hipotez zakładała, że pary elektron-pozyton są odchylane przez słabe międzygalaktyczne pola magnetyczne, które kierują promienie gamma z dala od linii widoczności Ziemi. Alternatywna teoria, wywodząca się z fizyki plazmy, sugerowała, że same wiązki par stają się niestabilne i rozpraszają swoją energię, zanim zdążą wytworzyć wykrywalne promieniowanie.
Rozstrzygnięcie tego sporu ma kluczowe znaczenie dla naszego zrozumienia struktury Wszechświata. Gdyby okazało się prawdziwe pierwsze wyjaśnienie, oznaczałoby to istnienie rozległych pól magnetycznych przenikających przestrzeń międzygalaktyczną. Drugi scenariusz wymagałby natomiast rewizji naszego rozumienia zachowania plazmy w skali kosmicznej.
Aby rozwikłać tę naukową zagadkę, zespół z Uniwersytetu Oksfordzkiego wykorzystał specjalistyczną instalację HiRadMat w CERN. To unikalne urządzenie zaprojektowano do testowania materiałów w warunkach ekstremalnego promieniowania, ale okazało się idealne do tego typu badań. Naukowcy wygenerowali pary elektron-pozyton i przepuścili je przez metrowej długości plazmę otoczenia, tworząc w ten sposób laboratoryjny odpowiednik kaskady par napędzanej przez blazary. To niezwykłe połączenie fizyki akceleratorów cząstek z astrofizyką pozwoliło na bezpośrednie zbadanie zjawisk zachodzących miliardy lat świetlnych od naszej planety.
Co ciekawe, wyniki eksperymentu przyniosły zaskakujące wnioski. Wiązka par elektron-pozyton pozostała wąska i niemal idealnie równoległa, doświadczając jedynie minimalnych zakłóceń. Nie wytworzyła też znaczących własnych pól magnetycznych. To oznacza, że niestabilności wiązka-plazma są zbyt słabe, aby wyjaśnić brakujące promienie gamma o energii GeV. Odkrycie to skutecznie wyklucza jedną z konkurujących teorii i wzmacnia hipotezę o istnieniu międzygalaktycznego pola magnetycznego. Co więcej, wszystko wskazuje na to, że to pole magnetyczne może być reliktem wczesnego Wszechświata, powstałym w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu. To fundamentalna zmiana w naszym postrzeganiu kosmicznej struktury.
Badanie rodzi więcej pytań niż odpowiedzi. Jeśli międzygalaktyczne pole magnetyczne rzeczywiście istnieje i pochodzi z wczesnego Wszechświata, jak dokładnie powstało? Mechanizmy zasiewania pól magnetycznych w pierwotnej plazmie wciąż pozostają niewyjaśnione. Niektórzy badacze sugerują, że może to wskazywać na nową fizykę wykraczającą poza model standardowy.
Nadchodzące Obserwatorium Cherenkov Telescope Array ma dostarczyć danych o znacznie wyższej rozdzielczości, które pozwolą na dalsze testowanie tych teorii. Połączenie eksperymentów laboratoryjnych w CERN z obserwacjami teleskopowymi otwiera nowy rozdział w badaniu kosmosu. Naukowcy zyskali możliwość symulowania w kontrolowanych warunkach zjawisk zachodzących w najbardziej ekstremalnych środowiskach Wszechświata.