Shutterstock & Lotte Fredslund
Farvet magnet univers

Magnetisme fra big bang skrudde på lys i universet

Astronomene har gått på jakt etter svake magnetiske krefter i universets store tomrom. Hvis de finnes, må de ha oppstått allerede ved big bang – og de kan være årsaken til at de aller første stjernene ble tent.

Du er omgitt av magnetfelt. De stammer blant annet fra ledningen til bordlampen, fra batteriet i mobiltelefonen og fra jorden under føttene dine.

Alle feltene dannes av elektriske ladninger i bevegelse. I ledningen og mobilen er det elektronenes vandringer i kretsløpene. I klodens kjerne er det rotasjonen i flytende jernmasser, og i stjerner som vår egen sol er det bevegelsene i plasmaet av løsrevne elementærpartikler.

Magnetfeltene strekker seg langt ut i universet. Feltlinjene løper fra stjerne til stjerne i hele galaksen vår, og enda større magnetfelt strekker seg mellom galaksene i de gigantiske galaksehopene.

I 2019 viste observasjoner at feltene også finnes på den aller største skalaen – nemlig i det såkalte kosmiske spindelvevet der tråder av tynne gasser forbinder galaksehopene med hverandre.

Magnetisme fra big bang kan være avgjørende for universets utvikling.

Et internasjonalt team av astronomer oppdaget 50 millioner lysår lange magnetiske feltlinjer langs en av gasstrådene, og det reiser et fundamentalt spørsmål: Er universets enorme tomrom mellom gasstrådene også gjennomvevd av magnetfelt?

Hvis svaret er ja, må magnetismen være født allerede ved big bang og ha spilt en viktig rolle for materiens fordeling i universet.

Det kosmiske spindelvevet er magnetisk

Stoffet i universet er fordelt i et spindelvev der galaksehoper utgjør knutepunktene. Forskere vil nå undersøke om bare deler av eller hele spindelvevet er magnetisk.

Kosmisk spindelvæv magnetiske galakser
© Virgo Consortium/Max Planck Inst.

1. Galakser er magnetiske

I galaksehopene er sterke magnetiske krefter involvert. Her bidrar de blant annet til at gasser kan samle seg til stjerner.

Kosmisk spindelvaev gasser har magnetfelter
© Virgo Consortium/Max Planck Inst.

2. Gasser har magnetfelt

De lange trådene av gass som kobler sammen galaksehopene, er også omgitt av magnetiske feltlinjer, viser ny forskning.

Kosmisk spindelvaev uafklaret tomrum
© Virgo Consortium/Max Planck Inst.

3. Tomrommet er uavklart

Om de store tomrommene i universet også er magnetisert, er usikkert. Hvis de er det, må magnetismen være skapt ved big bang.

Bortsett fra tyngdekraften er magnetisme den eneste kjente naturkraften som er langtrekkende nok til å forme universet i sin helhet.

Og hvis astronomene kan vise at den også eksisterer i de store tomrommene, kan vi få svar på flere store gåter – for eksempel om hvordan universets aller første stjerner ble skrudd på.

Fødselshjelper for stjernene

Alle dagens stjerner er dannet i galakser, og her er magnetisme en viktig medspiller. I galaksenes stjernetåker hjelper magnetfelt tyngdekraften med å samle sammen materie slik at stjernene kan bli til.

Hvis de magnetiske feltlinjene fører rett inn i en stjernetåke, kan feltet til og med skape elver av gass som dirigeres inn mot et bestemt område i tåken.

Mørk tåge langs magnetiske feltlinjer

Den mørke tåken nederst i bildet beveger seg langs de magnetiske feltlinjene inn i området der det dannes store mengder nye stjerner.

© NASA

Tyngdekraften akselererer prosessen slik at gasstettheten blir høyere og høyere, og trykket og temperaturen stiger. Til slutt blir det så varmt i skyen at fusjonsprosessene starter, og stjernene tennes.

Men hvordan oppsto de første stjernene i de tidligste dverggalaksene? Enten har det skjedd uten hjelp fra magnetfelt, selv om astronomene ikke vet hvordan. Eller så er urmagnetisme fra big bang svaret.

Vi har sett urfeltet indirekte

Astronomene mener at den opprinnelige magnetismen enten kan ha oppstått i det første mikrosekundet etter big bang eller i løpet av de følgende 380 000 årene, da alt stoff var et turbulent plasma av løsrevne protoner og elektroner.

I dag vil urmagnetismen være så svak at det bare er ett sted vi kan påvise den: i de store tomrommene i universet, der den ikke forstyrres og overdøves av de mye sterkere feltene som har oppstått senere i galaksehopene.

Til det formålet har astronomene tenkt ut en snedig, indirekte metode som allerede har vist tegn til at urfeltet finnes. Metoden går ut på å måle gammastråling fra ekstremt sterke lyskilder rundt supertunge svarte hull i fjerne galakser.

Underveis gjennom universets tomrom gjøres en del av den sterke strålingen om til partikler med elektrisk ladning, som igjen gjøres om til gammastråling, men nå med mye lavere energi.

Hvis det ikke er magnetisme i tomrommet, vil denne strålingen komme fram til teleskopene våre. Men hvis tomrommet er magnetisert, vil magnetfeltet feie de partikler med ladning til sidene, slik at strålingen fra dem ikke kommer fram.

Svarte hull kan vise magnetismen

Når supertunge svarte hull i hjertet av galaksene svelger gass, sender de ut strålende jetstrømmer fra polene sine. Hvis jetstrømmen peker rett mot jorden, kan den avsløre om det er magnetisme i universets tomrom.

Shutterstock & Lotte Fredslund

1. Det svarte hullet sender ut stråling

Jetstrømmen fra det svarte hullet består av partikler med elektrisk ladning som farer ut gjennom galaksen – nesten like raskt som lyset. Underveis sender partiklene ut store mengder gammastråling med veldig høy energi.

Shutterstock & Lotte Fredslund

2. Strålingen blir til partikler med elektrisk ladning

Mens den sterke gammastrålingen beveger seg gjennom et av universets tomrom, gjør noen av fotonene i strålingen seg spontant om til par av elektroner og antipartikler med positiv ladning som kalles positroner.

Shutterstock & Lotte Fredslund

3. Partikler blir igjen til stråling

På den videre reisen henfaller de nye elektronene og positronene igjen til gammastråling, men nå med lavere energi. Hvis universets tomrom er uten magnetfelt, vil den energisvake strålingen fortsette uhindret mot jorden.

Shutterstock & Lotte Fredslund

4. Magnetfelt fjerner den svake strålingen

Hvis tomrommet er magnetisert, feier feltet partiklene ut til hver sin side, slik at strålingen fra dem aldri vil komme fram til jorden. Nasas romteleskop Fermi har nylig registrert dette fraværet av den energisvake strålingen.

Shutterstock & Lotte Fredslund/NASA

Astronomene har brukt romteleskopet Fermi til målingene, og så langt har de ikke fanget opp den svake strålingen, noe som tyder på at urfeltet eksisterer.

Feltet påvirker universets vekst

Ifølge forskernes beregninger er urmagnetismen så svak at feltstyrken bare svarer til en milliarddel av styrken fra en vanlig kjøleskapsmagnet.

Nettopp denne styrken er interessant i forhold til en annen av kosmologiens store gåter: Hvor raskt utvider universet seg? I dag har forskerne med ulike metoder funnet fram til to svar på spørsmålet.

Den ene metoden tar utgangspunkt i den kosmiske bakgrunnsstrålingen, som er et bilde av universet 380 000 år etter big bang, og herfra regner astronomene framover til dagens univers.

Ved den andre metoden begynner forskerne i samtiden og måler avstanden til nære og fjerne supernovaer som representerer ulike epoker i universets historie.

Problemet er at den siste metoden gir en ti prosent raskere utvidelse enn den første. Men nye datasimuleringer som inkluderer urmagnetismen i den første metoden, treffer den samme hastigheten som supernovaene. Dermed ser problemet ut til å være løst.

Nytt teleskop vil avgjøre saken

Før forskerne lar champagnekorkene sprette, må de imidlertid finne direkte beviser for at urmagnetismen finnes. Det får de muligheten for med radioteleskopet SKA, som bygges i Sør-Afrika og Australia og ventes ferdig i 2028.

Paraboler og antenner i Sydafrika og Australien

Paraboler og antenner i Sør-Afrika (t.v.) og Australia (t.h.) skal til sammen utgjøre verdens største radioteleskop, SKA. Når det står ferdig, vil det kanskje avsløre universets urmagnetisme.

© CSIRO

Med sine tusenvis av antenner fordelt på de to kontinentene vil SKA kunne oppdage urfeltet ved å fange radioglimt fra fjerne galaksehoper.

Radiobølgene fra glimtene går alltid i ett plan, for eksempel loddrett. Men hvis bølgene møter magnetfelt på reisen gjennom et tomrom, endres planet slik at de for eksempel går vannrett. SKA vil i løpet av en årrekke samle nok data til å bevise eller avvise at urmagnetismen eksisterer.

Til den tiden vil vi endelig få svar på om den magnetismen vi opplever i overalt i omgivelsene våre, har røtter helt tilbake til universets fødsel ved big bang.