Färgad magnet universum

Magnetism från stora smällen tände ljuset i universum

Astronomerna har börjat leta efter svaga magnetiska krafter i universums stora tomrum. Om de existerar måste de ha uppstått redan vid stora smällen – och de kan vara anledningen till att de allra första stjärnorna tändes.

Astronomerna har börjat leta efter svaga magnetiska krafter i universums stora tomrum. Om de existerar måste de ha uppstått redan vid stora smällen – och de kan vara anledningen till att de allra första stjärnorna tändes.

Shutterstock & Lotte Fredslund

Du är omgiven av magnetfält. De kommer från bland annat kabeln till din tända bordslampa, din mobils batteri och marken under dina fötter.

Magnetfälten bildas av elektriska laddningar i rörelse. I kabeln och mobilen uppstår de av elektronernas vandringar, i planetens kärna är det rotationen i flytande järnmassor och i stjärnor som vår egen sol är det rörelserna i plasmat av elementarpartiklar som slits loss.

Magnetfälten når långt ut i rymden. Fältlinjerna hoppar från stjärna till stjärna i hela vår galax och ännu större magnetfält sträcker sig mellan galaxerna i de jättelika galaxhoparna.

År 2019 visade observationer att magnetfält även förekommer i den allra största skalan, i den så kallade kosmiska spindelväven, där trådar av tunna gaser sammanbinder galaxhoparna.

Magnetism från stora smällen kan vara avgörande för universums utveckling.

Ett internationell grupp astronomer har upptäckt 50 miljoner ljusår långa magnetiska fältlinjer längs en av dessa gastrådar. Det väcker en grundläggande fråga: Är även universums väldiga tomrum mellan gastrådarna genomvävda av magnetfält?

Om svaret är ja måste magnetismen ha fötts redan vid stora smällen och spelat en viktig roll för materiens fördelning i universum.

Materien i universum är fördelad i en spindelväv, i vilken galaxhopar utgör knutpunkterna. Forskare ska nu undersöka om endast delar av spindelväven är magnetisk eller om det gäller hela väven.

Kosmisk spindelväv magnetiska galaxer
© Virgo Consortium/Max Planck Inst.

1. Galaxer är magnetiska

I galaxhoparna är starka magnetiska krafter i spel. Där bidrar de bland annat till att gaser kan samlas och bilda stjärnor.

Kosmisk spindelväv gaser har magnetfält
© Virgo Consortium/Max Planck Inst.

2. Gaser har magnetfält

Även de långa trådarna av gas som förbinder galaxhoparna omges av magnetiska fältlinjer, visar ny forskning.

Kosmisk spindelväv ouppklarat tomrum
© Virgo Consortium/Max Planck Inst.

3. Tomrummet är ouppklarat

Om även de stora tomrummen i universum är magnetiserade vet man inte. Om de är det måste magnetismen ha skapats vid stora smällen.

Förutom gravitationen är magnetismen den enda kända naturkraften med tillräckligt lång räckvidd för att forma universum i sin helhet.

Om astronomerna kan visa att den även förekommer i de stora tomrummen kan vi få svar på flera stora gåtor, till exempel om hur universums första stjärnor tändes.

Födslohjälp för stjärnorna

Alla dagens stjärnor har bildats i galaxer, och där fyller magnetismen en viktig funktion. I galaxernas nebulosor hjälper magnetfält gravitationen att samla materia, så att stjärnorna kan bildas.

Om de magnetiska fältlinjerna leder rakt in i en nebulosa kan fältet till och med skapa floder av gas, som leds mot ett visst område i dimman.

Mörk dimma längs magnetiska fältlinjer

Den mörka dimman nederst i bild rör sig längs de magnetiska fältlinjerna, in i området där det sker en intensiv stjärnbildning.

© NASA

Gravitationen skyndar på processen, så att gastätheten ökar och trycket och temperaturen stiger. Till slut blir det så varmt i molnet att fusionsprocesser startar och stjärnor tänds.

Men hur uppstod de första stjärnorna i de tidigaste dvärggalaxerna? Antingen skedde det utan hjälp av magnetfält, även om astronomerna inte vet hur det skulle gå till, eller så är svaret urmagnetism från stora smällen.

Vi har sett urfältet indirekt

Astronomerna tror att den ursprungliga magnetismen antingen uppstod i den första mikrosekunden efter stora smällen eller under loppet av de följande 380 000 åren, då all materia var ett turbulent plasma av lösslitna protoner och elektroner.

I dag skulle urmagnetismen vara så svag att det bara finns en plats där vi kan påvisa den: i de stora tomrummen i universum, där den inte störs och överröstas av betydligt starkare fält som har uppstått i galaxhoparna senare i universums historia.

I detta syfte har astronomerna tänkt ut en smart indirekt metod, som redan har visat tecken på urfältets existens. Metoden går ut på att man mäter gammastrålning från extremt starka ljuskällor kring supertunga svarta hål i avlägset belägna galaxer.

På vägen genom universums tomrum omvandlas delar av den starka strålningen till laddade partiklar, som i sin tur omvandlas till gammastrålning, fast då med betydligt lägre energi.

Om det inte finns någon magnetism i tomrummet kommer strålningen att nå våra teleskop, men om tomrummet är magnetiserat bör magnetfältet svepa de laddade partiklarna åt sidan, så att strålningen från dem inte når fram.

Astronomerna har använt sig av rymdteleskopet Fermi för att göra mätningarna. Hittills har det inte registrerat någon svag strålning, vilket tyder på att urfältet existerar.

Fältet påverkar universums expansion

Enligt forskarnas beräkningar är urmagnetismen så svag att fältstyrkan bara motsvarar en miljarddel av en vanlig kylskåpsmagnets styrka.

Just denna styrka är intressant i förhållande till en annan av kosmologins stora gåtor, nämligen hur snabbt universum egentligen utvidgas. I dag har forskarna med olika metoder kommit fram till två svar på den frågan.

Den ena metoden utgår från den kosmiska bakgrundsstrålningen, som ger en ögonblicksbild av universum 380 000 år efter stora smällen. Därifrån räknar astronomerna framåt till dagens universum.

I den andra metoden utgår forskarna från nuet och mäter avståndet till närbelägna och avlägsna supernovor, som representerar olika epoker i universums historia.

Problemet är att den senare metoden resulterar i tio procent snabbare expansion än den förstnämnda. Nya datorsimuleringar som inkluderar urmagnetismen i den första metoden resulterar emellertid i samma hastighet som supernovorna. Därmed tycks problemet vara löst.

Nytt teleskop ska avgöra saken

Innan forskarna låter champagnekorkarna flyga behöver de emellertid hitta konkreta bevis för urmagnetismens existens. Det kommer de att kunna göra med radioteleskopet SKA, som byggs i Sydafrika och Australien och väntas vara färdigt år 2028.

Paraboler och antenner i Sydafrika och Australien

Paraboler och antenner i Sydafrika (till vänster) och Australien (till höger) ska tillsammans bilda världens största radioteleskop SKA. När det är färdigbyggt kommer det kanske att kunna påvisa universums urmagnetism.

© CSIRO

Med sina tusentals antenner fördelade på två kontinenter kommer SKA att kunna detektera urfältet genom att registrera radioblixtar från avlägsna galaxhopar.

Radiovågor från dessa blixtar svänger alltid i ett visst plan, till exempel lodrätt, men om vågorna stöter på magnetfält under färden genom ett tomrum vrids planet, så att de kanske i stället svänger vågrätt. Efter ett antal år kommer SKA att ha kunnat samla in tillräckligt mycket data för att antingen bevisa eller vederlägga urmagnetismens existens.

Vid det laget kommer vi slutligen att få svar på om den magnetism vi upplever överallt runt omkring oss har rötter ända tillbaka till universums födelse och stora smällen.