مغناطش نخستین

درک مقیاس سخت است اما اگر به اندازه کافی بزرگ‌نمایی کنید و دور شوید، ساختار جهان خود را نشان می‌دهد: یک شبکه کیهانی، که در آن رشته‌های گازی، در اطراف تهی‌جای‌های عظیم، گره خورده‌اند که در واقع محل اتصال خوشه‌های متفاوت کهکشانی هستند.

در اوایل سال جاری، منجمان به رهبری تسا ورنستروم در سازمان تحقیقات صنعتی Commonwealth Scientific در پرت، استرالیا، خطوط میدان مغناطیسی‌ای را شناسایی کردند که برخی از آنها تا 50 میلیون سال نوری بین خوشه‌های کهکشانی، کشیده شده‌اند. این یکی از اولین مشاهداتی بود که بیان می‌کرد، مغناطیس، در چنین مقیاس‌های عظیمی وجود دارد.

قسمت هیجان‌انگیز این موضوع اینجاست که این میدان‌ها، ممکن است یادگاری از لحظه تولد کیهان، در انفجار بزرگ باشند و از آن زمان، وجود داشته باشند.

کیهان‌شناسان رویای یافتن میدان‌های مغناطیسی نخستین را در سر می‌پرورانند چرا که آنها، می‌توانند اسرار بسیاری را در مورد چگونگی به وجود آمدن همه چیز فاش کنند. البته شناسایی آنها یک چالش است. اکتشافاتی همچون کار ورنستروم، اعتماد به نفس ما را بیشتر می‌کند، حتی اگر هنوز در این مورد پیشرفت بزرگی نداشته باشیم، اما خرد نظری و ابزارهای مشاهده‌ای را داریم که سرانجام ما را به سمت موفقیت سوق می‌دهند. مغناطیس، نیرویی آشنا است. میدان مغناطیسی که در سراسر فضا پخش شده، مانند همان میدانی است که یک آهن‌ربای عادی روی یخچال ایجاد می‌کند؛ حرکات  ذرات بارداری مانند الکترون‌ها. میدان‌های مغناطیسی، نامرئی هستند اما تأثیر آنها تا فواصل دور گسترده است. مغناطیس، تنها نیروی بنیادی به جز گرانش است که تاثیرات آن در فواصل وسیع قابل احساس است.

این نیرو، اغلب توسط کیهان‌شناسان نادیده گرفته می‌شود. برایان گانسلر، مدیر موسسه نجوم و اخترفیزیکِ Dunlap در دانشگاه تورنتو کانادا می‌گوید:

شما می‌توانید در یک کنفرانس یک هفته‌ای در مورد کیهان‌شناسی حضور داشته باشید و حتی یک کلمه از مغناطیس نشنوید و این مضحک است.

مغناطیس یک موضوع ناشناخته کیهانی مانند سیاهچاله‌ها یا انرژی تاریک نیست. ما مقدار زیادی در مورد چیستی آن می‌دانیم. اینکه چه کاری انجام می‌دهد و چه چیزی آن را ایجاد می‌کند جزوی از دانش ماست.

میدان مغناطیسی زمین ما را در برابر تابش خورشید محافظت می‌کند. میدان مغناطیسی خورشید باعث ایجاد شراره‌های خورشیدی و انفجارهای مغناطیسی می‌شود که به “انفجار توده تاج” معروفند. دسته‌ای از ستاره‌ها وجود دارند به نام مگنتارها که گمان می‌رود مغناطیسی‌ترین اجرام کیهان باشند. با تجهیزات مناسب مشاهده شده است که خطوط میدانی از این منابع اخترفیزیکی مانند اثر انگشت یا خطوط نقشه‌های توپوگرافی بیرون می‌زنند. چیزی که ما نمی‌دانیم این است که میدان‌های مغناطیسی چند ساله‌اند یا میزان تأثیر آنها بر تکامل کیهان، به ویژه در آن لحظه‌های نخستین شکل‌گیری چه بوده است.

گنسلر می‌گوید:

ما تصویر بسیار دقیقی از آنچه رخ داده است داریم. از ثانیه‌های ابتدایی جهان، بعد از انفجار بزرگ تا زمانی که ستارگان و کهکشان‌ها تشکیل شدند. اما چند مورد است که به آن نپرداخته‌ایم و یکی از بزرگترین سوالات این است که این میدان‌های مغناطیسی، از کجا به این حالت رسیده‌اند؟ مسلما بزرگترین سوال این است که آیا میدان‌های مغناطیسی از ویژگی‌های جهان اولیه بوده‌ و یا بعدها به وجود آمده‌اند. وابسته به زمان و چگونگی شکل‌گیری آنها، میدان‌های مغناطیسی اولیه ممکن است در تورم اولیه و انبساط نمایی فوق سریع شرکت داشته باشند، به عبارتی، اعتقاد بر این است که آنها جهان نوزاد را در مسیر آن‌چه امروز می‌بینیم، تنظیم کرده‌اند. در هر صورت، آنها می‌توانند خاطراتی از آن زمان را در خود نگه دارند، ما می‌توانیم از آنها بازجویی کنیم تا بهترین نتیجه را بگیریم.

این میدان‌ها همچنین ممکن است سرنخی در مورد چگونگی تشکیل ستاره‌ها داشته باشند. گانسلر بیان می‌کند: “شاید ستاره‌های اولیه نیازی به میدان مغناطیسی نداشتند یا شاید آنها به میدان‌ها نیاز داشتند که بدان معنی است که میدان‌ها باید قبل از اولین ستاره‌ها در آنجا حضور داشته باشند. شما نمی‌توانید به این سوال جواب کاملی بدهید مگر اینکه بدانید میدان‌های مغناطیسی چکار می‌کردند.”

حل بحران بزرگ کنونی، معروف به تنش هابل، موردی است که موضوع تحقیقات دیگر است. امروز جهان با سرعت بیشتری در حال گسترش است نسبت به چیزی که بهترین مدل تکامل کیهان که در دست ماست، پیش‌بینی می‌کند؛ از این مدل با عنوان مدل استاندارد کیهان شناسی یاد می‌شود. ارتش کوچکی از کیهان‌شناسان مشغول کار هستند که تنش هابل را کشف رمز کنند یا دست کم بفهمند که این، برای کیهان‌شناسی به چه معنا خواهد بود. سال گذشته، یک فرضیه جدید بیان شد: میدان‌های مغناطیسی اولیه ممکن است نقشی در این موضوع داشته باشند.

ممکن است میدان‌های مغناطیسی نخستین در حل مسأله‌ی «تنش هابل» نقش ایفا کنند.

لوون پوگوسیان، فیزیکدان دانشگاه سایمون فریزر در برنابی کانادا، می‌گوید: “در حال حاضر، مردم هنگامی که تکامل کیهان را توصیف می‌کنند حرفی از میدان‌های مغناطیسی نمی‌زنند. آنچه پوگوسیان و کارستن جدامزیک، در دانشگاه مونپلیه فرانسه، یافتند، این بود که اگر میدان‌های مغناطیسی را به شبیه‌سازی‌های مدل استاندارد اضافه کنید، پیش‌بینی آن درباره انبساط کنونی کیهان، بسیار نزدیکتر است به مقداری که اندازه‌گیری کردیم.

آدام ریس، فیزیکدان نجومی در دانشگاه جانز هاپکینز در بالتیمور مریلند، که سهمی از جایزه نوبل فیزیک را برای کشف گسترش تندشونده‌ی کیهان کسب کرد، با این نظریه موافق است. وی می‌گوید:

بهترین ویژگی میدان مغناطیسی اولیه، این است که به هیچ مورد جدیدی احتیاج ندارد و از چیزی استفاده می‌کند که باید زمانی وجود می‌داشته است اما ما در مورد آن سطح، کم می‌دانیم و آن را به عنوان یک راه حل برای تنش مطرح می‌کنیم.

این در حالی است که ما نمی‌دانیم میدان‌های مغناطیسی اولیه اصلا وجود داشته‌اند یا خیر. اگر وجود داشته‌اند، انتظار می‌رود بسیار ضعیف باشند، بقایای شبح مانند یک جهان کاملا متفاوت که در فواصل غیر قابل تصوری کشیده می‌شوند؛ حتی ممکن است همه فضا را در برگیرند.

یک احتمال جذاب به گفته فدریکا گوونی، ستاره‌شناس موسسه اخترفیزیک در کالیاری ایتالیا، وجود دارد؛ اینکه میدان‌های مغناطیسی همه اجرام آسمانی، با تقویت میدان‌های مغناطیسی موجود، تولید می‌شوند. در این سناریو، میدان‌ سیاهچاله‌ها یا دیگر اجرام، جایگزینی برای میدان‌های قدیمی هستند و آنها را از نظر پنهان می‌کنند. قابل قبول‌ترین روش برای تایید وجود میدان‌های اولیه، پیدا کردن نشانه‌هایی از میدان‌های مغناطیسی، در پراکنده‌ترین بخش‌های کیهان است؛ یعنی خلاهای (تهی‌جا ها) بین رشته‌های متصل‌کننده کیهانی.

 فضای تهی، به لطف سیگنال‌های عجیب و غریب، می‌تواند اسرار خود را بیان کند.

اگر در بخش‌هایی از این خلا (void)، میدانی پیدا می‌کردید، نمی‌توانستید وجود آن را با سازوکارهای اخترفیزیکی توجیه کنید. مقدار ماده در این مناطق به حدی کم است که تنها توضیح برای وجود میدان، این است که از آغاز زمان یا دست کم نزدیکی آن، وجود داشته است. در سال 2019 ، گوونی و همکارانش کشفی مشابه داشتند؛ خطوط میدانی مغناطیسی‌ای که بین خوشه‌های کهکشانی به انداره 10 میلیون سال نوری کشیده شده بود. همچنین آشکارسازی جدید ورنستروم و تیمش، حضور ضعیف میدان را به وسیله لکه بینی سنکروترون تابشی استنباط کردند. امواج رادیویی در هنگام حرکت مارپیچ‌وار ذرات باردار، هنگامی که از کنار یک میدان مغناطیسی عبور می‌کنند، تولید می‌شوند. این کشف، یک موضوع مهم است چراکه نشان می‌دهد که می‌توان میدان‌های ضعیف را در فواصل زیاد تحریک کرد.

ورنستروم می‌گوید: “آنها در فواصل بسیار زیاد گسترده شده‌اند و انتشار ضعیفی از آنها انتظار می‌رود. هنگامی که در چنین محیط بزرگی، بخواهیم انتشار ضعیفی را آشکار کنیم، کار بسیار سخت می‌شود، حتی زمانی که اجرام نورانی‌تر مانند کهکشان‌ها یا نویزهای کیهانی وجود دارند، این انتشار به مراتب ضعیف‌تر خواهد بود.

دیدن چیزی، هر چیزی، در فضاهای تهی بسیار مشکل است به این دلیل که به سختی ذراتی برای تعامل با میدان‌های مغناطیسی وجود دارند اما تهی‌جاها به لطف پدیده‌های عجیب و غریبی که در سرتاسر فضا وجود دارند، هنوز می‌توانند اسرار خود را فاش کنند. بلازارها یک نمونه از این پدیده‌ها هستند. آنها کهکشان‌هایی هستند دارای سیاهچاله‌هایی ابرپرجرم که جت‌های ماده یونیزه را با سرعت نزدیک نور به بیرون پرتاب می‌کنند. این اجرام از درخشان‌ترین و پرانرژی‌ترین اشیا در آسمان هستند. دراوایل 2010، محققان متذکر شده بودند که اگر یک بلازار، فاقد هاله متمایز گامای کم‌انرژی باشد، جت به احتمال زیاد از یک میدان مغناطیسی خارج کهکشانی عبور کرده است.

امواج پیچ و تاب خورده

آنچه که واقعاً انگیزه تازه‌ای به این تحقیقات تزریق کرد، تشخیص ده‌ها انفجار سریع رادیویی (FRB) بود؛ پالس‌های کوتاه مدت امواج رادیویی که از انفجار چندین خورشید در کهکشان‌های دوردست می‌آمد. این سیگنال‌ها برای ستاره‌شناسان نسبتاً جدید هستند و هنوز هم اتفاق نظری روی علل تولید آنها، وجود ندارد. اما در چند سال گذشته، ما تعداد بیشتر و بیشتری از آنها را رصد کردیم؛ در این روند، روشن شد که آنها دو سیگنال مشخص را در مورد اعماق فضایی که از آن عبور می‌کنند، رمزگذاری می‌کنند.

رایج‌ترین روش برای مطالعه میدان‌های مغناطیسی کیهانی، اندازه‌گیری قطبش تابشی است که از آن عبور می‌کند. این تابش قطبیده شده که امواج آن فقط در یک صفحه ارتعاش دارند، می‌توانند نور یک ستاره یا کهکشان باشند، اما همچنین می‌تواند یک انفجار سریع رادیویی باشد. وقتی یک FRB با یک میدان مغناطیسی روبرو شود، امواج قطبیده شده آن درهم پیچ می‌خورند به طوری که هنگام تکثیر در فضا، مارپیچ می‌شوند. از طریق اندازه‌گیری میزان این تغییر، که به چرخش فارادی مشهور است، می‌توانیم حضور و شدت هر میدان مغناطیسی‌ای را که از آن عبور کرده، استنباط کنیم.

گانسلر بیان می‌کند: “قدرت مغناطیسی که ما اکنون می‌توانیم اندازه گیری کنیم، 100 برابر ضعیف‌تر از آن چیزی است که در گذشته بوده‌اند. با این حال، بهترین رادیوتلسکوپ‌های ما، به سختی به اندازه کافی حساس‌اند تا سیگنال‌های ضعیفی را که از میدان‌های مغناطیسی اولیه انتظار می‌رود، تشخیص دهند. این زیبایی FRB هاست، زیرا آنها دارای مزیت دیگری نسبت به سیگنال‌های دیگر هستند و آن این است که اثر دیگری وجود دارد که می‌توانیم از آنها اندازه گیری کنیم.”

به آن، اثر پخش (dispersion) گفته می‌شود. هنگامی که یک FRB از میان فضا عبور می‌کند، تابش در نتیجه تابش پراکنده شده از الکترون و سایر ذرات، به فرکانس‌های کمتر منتقل می‌شود و به آن ظاهری لکه‎دار می‌دهد. با اندازه‌گیری این پخش شدگی، ستاره‌شناسان همچنین می‌توانند در مورد تراکم منطقه‌ای که امواج از آن عبور کرده‌اند، اطلاعات کسب کنند. بنابراین اگر FRB خاصی باشد که از یک میدان مغناطیسی ضعیف با تراکم ماده بسیار کم عبور کرده باشد، نشان‌دهنده این است که سیگنال از یک تهی‌جا عبور کرده است و این به نوبه خود، نشان دهنده این است که میدان مغناطیسی نخستین وجود داشته است.

وازا می‌گوید: “حتی اگر میدان‌های مغناطیسی اولیه از بین رفته باشند، گرچه انتظار می‌رود که همه‌جا حضور ضعیفی داشته باشند، این بدان معناست که ما برای اندازه‌گیری آن‌ها، به مقادیر بالایی از اطلاعات احتیاج داریم و انفجارهای سریع رادیویی برای این کار عالی هستند.”

به عنوان مثال، ورنستروم و همکارانش برای آشکارسازی میدان مغناطیسی در امتداد رشته‌های کیهانی، هزاران هزار عکس از کهکشان‌ها را ادغام کردند. این تکنیک، معروف به انباشت تصویر، سیگنال را از درون نویز تقویت می‌کند. به همین ترتیب، به عقیده وازا، برای کشف قاطع میدان‌های نخستین، با استفاده از انفجارهای سریع رادیویی، به یک سیل داده نیاز خواهیم داشت. او و همکارانش محاسبه کردند که چنین رصدی، به هزار FRB، همه با چرخش فارادی شناسایی شده، نیاز دارد. خوشبختانه نسل جدیدی از رادیوتلسکوپ‌ها هم‌اکنون در میدان هستند.

پوگوسیان می‌گوید: “ابزاری در کانادا وجود دارد به نام CHIME که می‌تواند مقادیری از FRB ها را تشخیص دهد؛ در آینده، شاید صدها هزاران مورد از انفجارهای رادیویی سریع داشته باشیم.”

آرایه تلسکوپ Pathfinder استرالیا (SKA) که عمدتا در استرالیا و آفریقای جنوبی مستقر است، هزاران انفجار سریع رادیویی را رصد خواهد کرد. SKA بزرگترین رادیوتلسکوپ در جهان خواهد بود هنگامی که به طور کامل به فاز عملیاتی برود که ستاره‌شناسان بسیار چشم انتظار آن هستند.  طبق نظر گانسلر: “این موضوع، اندازه‌گیری‌های ما را دقیق‌تر می‌کند و همچنین در زمان به عقب‌تر می‌برد. SKA در نهایت یک شبکه سه بعدی چرخش فارادی در آسمان اطراف ما تولید خواهد کرد، چیزی شبیه نقشه مغناطیس در جهان.”

وازا می‌گوید: “همانطور که از کیهان‌شناسی می‌دانیم، هیچ چیز، از تولید عناصر تا انبساط فضا-زمان، دلالت بر وجود میدان‌های مغناطیسی ندارد، بنابراین اگر کشف کنیم که میدان‌های مغناطیسی در دوره‌های بسیار ابتدایی وجود داشته‌اند، این نشانه‌ای از نیاز به فیزیکی جدید است که باید در مدل‌های کیهان‌شناسی ما گنجانده شود.”

ما حتی می‌توانیم کشف کنیم که این میدان‌ها در ایجاد ستاره‌ها و کهکشان‌ها نقشی محوری داشته‌اند؛ گرچه ابتدا باید بفهمیم که چه چیزی کیهان را مغناطیسی کرده است.

ورنستروم می‌گوید:

این، یک معمای بزرگ برای مدت طولانی بوده و فکر می‌کنم که اوضاع واقعا در حال تغییر است؛ ما در حال باز کردن پنجره‌هایی به این سوی کیهان هستیم.