Τι προβλέπει το καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλα για τα μαγνητικά πεδία στο Σύμπαν;

Η καθιερωμένη σκοτεινή ύλη είναι η “ψυχρή” σκοτεινή ύλη (cold dark matter, CDM) και είναι το CDM στο καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλο ΛCDM (όπου το Λ αναφέρεται στη “κοσμολογική σταθερά”).

Η σκοτεινή ύλη θεωρείται ότι αποτελείται από υποατομικά σωματίδια. Βάσει των δύο κυριοτέρων “οικογενειών” υποψηφίων σωματιδίων, δηλαδή των αξιονίων (axions) και των Ασθενών Αλληλεπιδρώντων Σωματιδίων με μεγάλη μάζα (Weakly Interacting Massive Particles, WIMPs), κανένα από αυτά δεν περιμένουμε να αλληλεπιδρούν με τα μαγνητικά πεδία. Αυτό οφείλεται στις αναμενόμενες θεωρητικές ιδιότητες των σωματιδίων αυτών. Γιατί όμως δε “θέλουμε” τα υποψήφια σωματίδια να αλληλεπιδρούν με το μαγνητικό πεδίο; Αυτό είναι άμεση συνέπεια της ενοποίησης του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου  και της σύνδεσής τους με το φως. Οπως έδειξε ο J. C. Maxwell στα τέλη του 19ου αιώνα, το φως δεν είναι τίποτε άλλο από ένας ηλεκτρομαγνητικός παλμός.  Επομένως, αν η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρούσε με το μαγνητικό πεδίο, θα μπορούσε να εκπέμπει σήματα στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Σαν αποτέλεσμα, εφόσον εκτιμάται ότι αποτελεί τα ⅘ της μάζας του Σύμπαντος, θα επηρέαζε άμεσα τις αστρονομικές παρατηρήσεις. Ωστόσο,κάτι τέτοιο δεν έχει παρατηρηθεί ακόμη.

Παρόλα αυτά, υπάρχουν εναλλακτικές θεωρίες όπου επιτρέπεται η αλληλεπίδραση της σκοτεινής ύλης με τα πρωταρχικά μαγνητικά πεδία υποβάθρου του σύμπαντος (primordial magnetic fields) βάζοντας άνω όρια για την τιμή αυτών των πεδίων (βλέπε για παράδειγμα [1]). Ωστόσο, καμία από αυτές τις θεωρίες δεν είναι κοινώς αποδεκτή, αφού μέχρι στιγμής η ύπαρξη και αλληλεπίδραση της σκοτεινής ύλης συνάγεται μόνο μέσω της βαρυτική αλληλεπίδρασης.

Οι κοσμολογικές προσομοιώσεις που τρέχουν με τους κανόνες του ΛCDM γενικά δεν χρησιμοποιούν κοσμολογικής κλίμακας πεδία (υπάρχουν εξαιρέσεις για μικρότερης κλίμακας προσομοιώσεις, βλέπε [2] και [3]). Τα πρώτα θεωρούνται πολύ αμυδρά και τείνουν να φθίνουν λόγω της διαστολής του Σύμπαντος. Παρόλα αυτά, θεωρείται ότι διαδραματίζουν πολύ σημαντικό ρόλο σαν πηγές των αστροφυσικών μαγνητικών πεδίων που παρατηρούμε, τα οποία πιστεύουμε ότι προέρχονται από ενίσχυση (μέσω μαγνητο-υδροδυναμικών διαδικασιών) των πρωταρχικών μαγνητικών πεδίων. Ο μηχανισμός δημιουργίας αυτών των πεδίων δεν είναι ακόμα ξεκάθαρος, αλλά πιθανολογείται ότι σχετίζεται με διαδικασίες στο πρώιμο Σύμπαν (πληθωρισμός, κοσμολογικές αλλαγές φάσης κτλ). Να σημειώσουμε εδώ, ότι εξίσου πιθανός, είναι ένας δεύτερος μηχανισμός για τη παραγωγή διαγαλαξιακών πεδίων. Σε αυτήν την περίπτωση, τα μαγνητικά πεδία δημιουργούνται από αστροφυσικά φαινόμενα σε μικρές κλίμακες και μετά επεκτείνονται σε μεγαλύτερες αποστάσεις.

Μελλοντικές έρευνες σίγουρα θα συμπεριλάβουν μαγνητικά πεδία καθώς η φύση τους είναι σημαντική στο κομμάτι παραγωγής και διάδοσης ακτινοβολίας, στην διάχυση κοσμικών ακτίνων και ίσως ακόμα και στην κίνηση του διαγαλαξιακού υλικού στα πρώιμα στάδια του σύμπαντος.
 

1. https://arxiv.org/pdf/2010.03383.pdf

2. https://arxiv.org/abs/1312.2620

3. https://arxiv.org/abs/1109.4055

Περαιτέρω βιβλιογραφία:

1. https://arxiv.org/pdf/1303.7121.pdf

2. https://arxiv.org/pdf/1504.02311.pdf

3. https://www.annualreviews.org/doi/pdf/10.1146/annurev.nucl.49.1.77

4. https://arxiv.org/abs/0707.2783
5. https://arxiv.org/abs/1307.6953
6. https://arxiv.org/abs/1412.4119

Ευχαριστούμε τον κ. Βλαχάκη (Καθηγητή Αστροφυσικής ΕΚΠΑ) για την τελική επιμέλεια της ερώτησης και τις προτάσεις του για περαιτέρω διάβασμα.