Эксперимент в ЦЕРНе с плазменным сгустком указывает на невидимую структуру в межгалактическом пространстве
Создание релятивистских плазменных сгустков в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) неожиданно пролило свет на часть Вселенной, которая редко проявляет себя. Эксперимент, воспроизводящий условия далёких космических пустот, поставил под сомнение одно из давних объяснений тайны пропавшего гамма-излучения от мощнейших источников во Вселенной — блазаров.
Астрономы годами наблюдали, как блазары — активные ядра галактик — испускают гамма-лучи чудовищной энергии. Согласно устоявшимся теоретическим моделям, эти лучи, путешествуя через межгалактическое пространство, должны сталкиваться с фоновым светом, порождая лавины частиц — электронов и позитронов. Эти частицы, в свою очередь, обязаны рассеивать фотоны реликтового излучения, создавая характерное вторичное свечение в диапазоне гигаэлектронвольт. Этот свет многократно искали, но он так и не был обнаружен. Он словно исчез, будучи либо подавлен, либо отклонён от направления на Землю.
Более десяти лет конкурировали два основных объяснения. Первое предполагает, что между галактиками существуют обширные магнитные структуры, которые перенаправляют потоки частиц. Второе связывает исчезновение свечения с плазменными неустойчивостями: якобы лавины частиц саморазрушаются, теряя энергию и когерентность ещё до того, как успевают излучить.
Проверить эти гипотезы было крайне сложно, поскольку физические условия в космических пустотах недостижимы в обычных лабораториях. Потоки частиц от блазаров чрезвычайно разрежены, быстры и почти нейтральны. Новый эксперимент в ЦЕРне подошёл к проблеме иначе: вместо копирования космического луча учёные воссоздали управляющие им условия.
С помощью мощного протонного ускорителя физики направили пучок протонов на мишень из графита и тантала. Столкновение породило каскад частиц, в результате которого возник компактный сгусток — «файрбол» — состоящий из более чем десяти триллионов электронов и позитронов с реалистичным разбросом энергий и углов. Этот неидеализированный, естественно «беспорядочный» сгусток затем направили в камеру с аргоновой плазмой, чьи параметры были максимально приближены к разрежённой среде космических пустот.
Чтобы обнаружить малейшие признаки возникновения неустойчивости, команда использовала комплексную диагностику. Через кристалл, помещённый в поток плазмы, пропускали поляризованный лазерный луч: возникновение магнитного поля вызывало бы поворот плоскости поляризации. Далее, экран из оксида алюминия регистрировал форму пучка частиц после прохождения через плазму. Результат оказался однозначным: сигнал отсутствовал.
Фарадеевский датчик зафиксировал лишь шум электроники. Магнитное поле, если оно и возникало, не превышало нескольких миллитесла — уровня, недостаточного для подавления или рассеяния пучка. Изображения с экрана также не выявили изменений: пучок, прошедший через плазму, ничем не отличался от контрольного. Ожидаемого разбиения на филаменты и роста магнитных полей не произошло.
Убедившись в надёжности измерений, исследователи провели масштабное трёхмерное компьютерное моделирование. Когда в модели использовали идеализированный, строго коллимированный пучок, неустойчивость развивалась бурно. Но когда пучку придали тот же естественный угловой разброс, что и в эксперименте, рост неустойчивости подавлялся. Частицы успевали «сбежать» из области растущих возмущений раньше, чем те могли их захватить. Физика реального, неидеального пучка действовала как растворитель, разрушающий неустойчивость в зародыше.
Экстраполируя этот результат на межгалактическое пространство, учёные пришли к выводу: в условиях чрезвычайно низкой плотности частиц от блазаров и ещё более разрежённой фоновой плазмы космических пустот, время роста любых электромагнитных неустойчивостей оказывается больше, чем время, за которое частицы теряют энергию на рассеянии. Гипотеза о том, что отсутствующее гигаэлектронвольтное свечение «стирается» плазменными процессами, более не выглядит состоятельной. Поток частиц не разрушается, а сохраняет целостность.
Таким образом, наиболее вероятным объяснением остаётся наличие магнитных полей в межгалактической пустоте. Эти поля, непохожие на структуры вокруг планет или звёзд, должны простираться на гигантские области, почти лишённые видимой материи. Их сила может быть ничтожной по земным меркам, но на колоссальных космических расстояниях их влияние накапливается. Частица, рождённая далеко от Земли, за время своего путешествия будет постепенно отклоняться даже слабым полем. В результате вторичное излучение окажется рассеянным по огромному участку неба, а не сконцентрированным вдоль линии взгляда на блазар, что и объясняет его «исчезновение» для земных инструментов.
Происхождение таких полей, если они существуют, может быть связано с самой ранней эпохой Вселенной, когда процессы, происходившие в космологических масштабах, могли заложить их «семена». Современные астрофизические механизмы в почти пустом пространстве между галактиками не способны породить структуры подобного размера и согласованности.
Эксперимент в ЦЕРНе не обнаружил эти поля, но чётко обозначил границу. Он показал, что один из ключевых альтернативных сценариев не работает в условиях, максимально приближённых к реальным. Плазменные неустойчивости не могут быть причиной пропажи света. Это означает, что невидимая ландшафт Вселенной — структура межгалактического пространства — оказывается сложнее, чем предполагалось. Тишина, зафиксированная детекторами в лаборатории, становится косвенным, но весомым свидетельством присутствия чего-то невидимого и, возможно, древнего, что направляет потоки частиц через бездну между галактиками.
