Farvet magnet univers

Alkuräjähdyksen luoma magneettisuus toi valon universumiin

Tähtitieteilijät yrittävät todistaa heikkojen magneettikenttien olemassaolon kosmisissa tyhjiöissä. Jos magneettikenttiä löytyy, niiden täytyy olla peräisin alkuräjähdyksestä asti. Se selittäisi myös ensimmäisten tähtien syttymisen.

Tähtitieteilijät yrittävät todistaa heikkojen magneettikenttien olemassaolon kosmisissa tyhjiöissä. Jos magneettikenttiä löytyy, niiden täytyy olla peräisin alkuräjähdyksestä asti. Se selittäisi myös ensimmäisten tähtien syttymisen.

Shutterstock & Lotte Fredslund

Me kaikki elämme magneettikenttien ympäröiminä. Niitä on esimerkiksi sytytetyn pöytälampun johdon ympärillä, matkapuhelimen akun ympärillä ja jalkojemme alla olevassa maassa.

Kaikki magneettikentät muodostuvat liikkeessä olevista sähkövarauksista. Lampun johdossa ja matkapuhelimessa varaus syntyy elektronien liikkeestä kiertoradoillaan. Maapallon ytimessä varaus syntyy nestemäisen raudan virtauksista, ja tähdissä, kuten oman aurinkokuntamme Auringossa, varaus syntyy alkeishiukkasten muodostaman plasman liikkeistä.

Magneettikentät ulottuvat pitkälle avaruuteen. Kenttien linjat ulottuvat tähdeltä toiselle koko galaksin laajuudelta, ja galaksien välillä on vieläkin suurempia magneettikenttiä valtavan suurissa galaksijoukoissa.

Vuonna 2019 havainnot osoittivat, että magneettikenttiä on vieläkin suuremmassa mittakaavassa – nimittäin niin kutsutuissa kosmisissa hämähäkinseiteissä, joissa harvat kaasut yhdistävät galaksijoukkoja toisiinsa.

Alkuräjähdyksestä peräisin oleva magneettisuus voi olla ratkaisevaa universumin kehityksen kannalta.

Kansainvälinen tähtitieteilijäryhmä havaitsi 50 miljoonaa valovuotta pitkiä magneettikenttien linjoja eräässä kaasurihmastossa, mikä herättää tärkeän kysymyksen: Onko universumin galaksisäikeiden välissä olevissa kosmisissa tyhjiöissä magneettikenttiä?

Jos vastaus on kyllä, magneettikenttien on täytynyt syntyä jo alkuräjähdyksen aikaan, jolloin ne ovat vaikuttaneet merkittävästi materian jakautumiseen universumissa.

Materia universumissa jakaantuu hähämäkinverkkoa muistuttavaan kuvioon, jossa solmukohdat muodostuvat galakseista. Tutkijat aikovat nyt selvittää, onko koko verkko, vai vain osa siitä, magneettinen.

Kosminen hämähäkinseitti, magneettiset galaksit
© Virgo Consortium/Max Planck Inst.

1. Galaksit ovat magneettisia

Galaksijoukoissa jylläävät vahvat magneettiset voimat, jotka saavat mm. kaasut kerääntymään yhteen tähdiksi.

Kosmisella hämähäkinseitillä on magneettikenttiä
© Virgo Consortium/Max Planck Inst.

2. Kaasuilla on magneettikenttiä

Uusien tutkimusten mukaan myös kaasurihmat, jotka yhdistävät galaksijoukot toisiinsa, ovat magneettikenttien ympäröimiä.

Kosminen hämähäkinseitti, selittämätön aukko
© Virgo Consortium/Max Planck Inst.

3. Kosmiset tyhjiöt vielä arvoitus

Vielä ei tiedetä, ovatko universumin suuret kosmiset tyhjiöt myös magneettisia. Jos ovat, magneettisuuden täytyy olla peräisin alkuräjähdyksestä.

Painovoiman ohella magneettisuus on ainoa tunnettu luonnonvoima, joka ulottuu riittävän kauas vaikuttaakseen koko universumiin.

Jos tähtitieteilijät pystyvät osoittamaan, että myös kosmiset tyhjiöt ovat magneettisia, silloin saadaan vastauksia moniin suuriin kysymyksiin – esimerkiksi siihen, miten maailmankaikkeuden ensimmäiset tähdet syttyivät.

Apuna tähtien synnyssä

Kaikki nykyisin olemassa olevat tähdet ovat syntyneet galakseihin, joissa magneettisuudella on tärkeä rooli. Galaksien kaasusumussa magneettikentät auttavat painovoimaa kokoamaan materiaa yhteen, mistä muodostuu tähtiä.

Jos magneettikentän linjat johtavat suoraan kaasusumuun, magneettikenttä luo kaasuvirtauksia, jotka osuvat johonkin tiettyyn kohtaan kaasusumussa.

Pimeää sumua magneettisten linjojen ympärillä

Kuvan alareunassa näkyvä pimeä sumu liikkuu magneettisia linjoja pitkin alueelle, jossa syntyy tähtiä.

© NASA

Painovoima kiihdyttää prosessia niin, että kaasun tiheys kasvaa ja paine ja lämpötila nousevat. Lopulta pilvessä on niin kuuma, että fuusioprosessi käynnistyy ja tähti syttyy.

Mutta miten sitten syttyivät ensimmäiset tähdet varhaisimmissa galakseissa? Joko se tapahtui ilman magneettikenttien apua, vaikka tähtitieteilijät eivät vieläkään tiedä miten, tai sitten vastaus on alkuräjähdyksen aikaansaama magneettisuus.

Alkuräjähdyksestä peräisin oleva magneettisuus on havaittu epäsuorasti

Tähtitieteilijöiden mukaan magneettisuus sai alkunsa joko ensimmäisen mik­rosekunnin aikana alkuräjähdyksen jälkeen tai seuraavien 380 000 vuoden aikana, kun kaikki materia oli vielä irrallisten protonien ja elektronien epävakaata plasmaa.

Nykyisin alkuräjähdyksestä peräisin oleva magneettisuus on niin heikkoa, että sitä voidaan havaita vain yhdessä paikassa: maailmankaikkeuden kosmisissa tyhjiöissä, joissa sitä eivät häiritse tai peitä myöhempien galaksijoukkojen vahvemmat magneettikentät.

Havaitakseen tätä alkuräjähdyksestä peräisin olevaa magneettisuutta tähti­tieteilijät ovat kehittäneet epäsuorasti toimivan menetelmän, jolla on jo saatu merkkejä alkuräjähdyksen magneettisuudesta.

Menetelmä perustuu kaukaisten galaksien massiivisten mustien aukkojen ympärillä olevien erittäin voimakkaiden valonlähteiden gamma­säteilyn mittaamiseen.

Maailmankaikkeuden kosmisissa tyhjiöissä osa voimakkaasta säteilystä muuttuu sähkövarauksen sisältäviksi hiukkasiksi, jotka muuttuvat takaisin paljon vähäenergiaisemmaksi gammasäteilyksi.

Jos tyhjiössä ei ole magneettikenttää, tämän säteilyn pitäisi näkyä teleskoopilla. Jos taas tyhjiö on magneettinen, magneettikenttä lakaisee hiukkaset sivuun, jolloin niiden säteily ei näy.

Tähtitieteilijät ovat tehneet Fermi-avaruusteleskoopin avulla mittauksia, eikä heikkoa säteilyä ole tähän mennessä havaittu, mikä viittaisi siihen, että magneettikenttä on olemassa.

Magneettikenttä vaikuttaa universumin laajenemiseen

Tutkijoiden mukaan magneettikenttä on niin heikko, että sen voima vastaa tavallisen jääkaappimagneetin voimakkuuden tuhatbiljoonasosaa.

Magneettikentän voimakkuus on mielenkiintoinen seikka myös suhteessa toiseen kosmologeja vaivaavaan kysymykseen: Kuinka nopeasti maailmankaikkeus laajenee? Tutkijat ovat eri menetelmin saaneet aikaan kaksi erilaista vastausta.

Ensimmäinen vastaus perustuu kosmiseen taustasäteilyyn, joka on tilannekuva maailmankaikkeudesta 380 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen ja jonka perusteella tähtitieteilijät ovat tehneet laskelmia nykyisestä maailmankaikkeudesta.

Toisessa vastauksessa tähtitieteilijät ottavat lähtökohdaksi nykyhetken tilanteen ja mittaavat etäisyyksiä lähellä ja kaukana oleviin supernoviin, jotka edustavat eri aikakausia maailmankaikkeuden historiassa.

Ongelmana on se, että toinen ratkaisu tuottaa kymmenen prosenttia nopeampaa laajenemista kuin ensimmäinen. Uusilla tietokonesimulaatioilla, joihin on otettu mukaan ensimmäisen ratkaisun sisältämät magneettikentät, saadaan sama nopeus kuin supernovilla. Ongelma näyttäisi siis olevan selvitetty.

Uusi teleskooppi tuo ratkaisun

Ennen kuin voidaan aloittaa juhlat ja kaivaa kuohujuomat esiin, tutkijoiden on todistettava, että kosmisissa tyhjiöissä todella on magneettikenttä. Se onnistunee uuden SKA-radioteleskoopin avulla, jota rakennetaan parhaillaan Etelä-Afrikassa ja Australiassa ja jonka on tarkoitus olla valmis jo vuonna 2028.

Lautasantenneja ja antenneja Etelä-Afrikassa ja Australiassa

Maailman suurin radioteleskooppi SKA rakentuu antenneista Etelä-Afrikassa ja Australiassa. Valmiilla radioteleskoopilla pystytään kenties havaitsemaan alkuräjähdyksestä peräisin olevat magneettikentät.

© CSIRO

Kahdella mantereella sijaitsevien tuhansien antenniensa avulla SKA-radioteleskooppi pystyy havaitsemaan alkuräjähdyksestä peräisin olevan magneettisuuden vangitsemalla kaukaisten galaksijoukkojen radiovälähdyksiä.

Välähdysten radioaallot aaltoilevat aina tietyllä tasolla, esimerkiksi pystysuoraan. Mutta jos aallot kohtaavat magneettikentän matkalla kosmisen tyhjiön halki, taso kiertyy, jolloin aallot liikkuvatkin esimerkiksi vaakasuoraan.

Vuosien saatossa SKA kerää tarpeeksi todisteita, joiden avulla joko todistetaan oikeaksi tai kumotaan alkuräjähdyksestä peräisin olevan magneettisuuden olemassaolo. Silloin tiedetään lopullisesti, pohjautuvatko kaikki nykyisessä elinympäristössämme olevat magneettikentät kaikkeuden syntyyn alkuräjähdyksessä.