Які процеси відбувалися у Всесвіті, коли його вік був меншим за одну секунду? Чи збереглися осередки первісного стану світобудови, зокрема первинні магнітні поля? Про що вони можуть розповісти? А також: як виглядав би наш світ, якби «щось пішло не так»? На ці та інші запитання сьогодні шукають відповіді вчені Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Їхній проєкт «Генерація і еволюція первинних магнітних полів» став переможцем конкурсу «Підтримка досліджень провідних та молодих учених» Національного фонду досліджень України. Проєкт розпочато у жовтні 2020 року, дата завершення – грудень 2022.
Науковий керівник проєкту, професор кафедри квантової теорії поля КНУ Едуард Горбар розповідає, що в останні роки з’явилися свідчення, що у найбільших пустотах Всесвіту, так званих войдах, де вкрай мало звичайної речовини: зірок, галактик, газу, але присутні великомасштабні магнітні поля. Найімовірніше, вони мають космологічну природу, тобто утворилися не в якихось астрофізичних об’єктах (наприклад, галактиках), а у ранньому Всесвіті. Це означає, що разом із реліктовим випромінюванням та великомасштабною структурою світобудови, ці поля можуть дати унікальну інформацію про фізичні процеси у ранньому Всесвіті, яку наразі не можна отримати жодними іншими способами.
Коли вік Всесвіту був меншим за секунду…
– Серед науковців домінує думка, що на самому початку історії нашого Всесвіту, коли його вік був значно меншим за 1 секунду, він пройшов стадію стрімкого розширення, – пояснює Едуард Володимирович. – За короткий проміжок часу Всесвіт збільшився у розмірах у трильйони трильйонів разів. Ця стадія носить назву інфляції (за аналогією з економічним терміном, де ціни на товари швидко зростають) і є дуже важливою для всієї подальшої еволюції світобудови як з погляду космології, так і з точки зору фундаментальної фізики елементарних частинок. Саме на цій стадії були утворені первинні неоднорідності (флуктуації) густини енергії Всесвіту, з яких потім утворилися протогалактики, протозірки, а потім самі зірки, планети навколо них і ми з вами. Якби цих первинних зародків не було, нині Всесвіт виглядав би дуже нудно: весь простір був би однорідно заповнений розпорошеною матерією і жодних складних об’єктів не існувало б.
На думку вчених (як українських, так і закордонних), на стадії інфляції зародилися і первинні гравітаційні хвилі, які людству ще належить виявити. Природно припустити, що магнітні поля у войдах також можуть походити з інфляційної стадії. Походження цих магнітних полів і досліджують науковці з команди пана Едуарда.
Команда вчених розглядає різні фізичні моделі, які могли б призвести до виникнення магнітних полів під час інфляції та порівнює ці передбачення з уже відомими результатами спостережень. Науковці сподіваються, що дослідження дасть змогу пролити світло на найдавніші стадії історії Всесвіту.
Як генерувалися електромагнітні поля
Запитуємо наукового керівника: «Що вже зроблено, і що ще плануєте дослідити?».
– Поряд із магнітними полями в інфляційних моделях генеруються також й електричні поля, – відповідає Едуард Володимирович. – Вони так само можуть народжувати пари заряджених частинок-античастинок завдяки явищу, що відоме, як ефект Швінгера. Цей ефект важливо враховувати, оскільки він може змінити як сам процес генерації первинних магнітних полів, так і наші уявлення про еволюцію Всесвіту. Наразі ми розробили формалізм, що дозволяє описувати процес генерації електромагнітних полів із урахуванням їхнього зворотного впливу на розширення Всесвіту, а також ефекту Швінгера.
Також дослідники планують розглянути, як присутність електромагнітних полів під час інфляції впливає на первинні неоднорідності, з яких, як згадано вище, з часом утворилися галактики, зірки і весь світ.
Рівняння, з якими доводиться працювати науковцям, надзвичайно складні й «громіздкі». Для їх розв’язання за грантові кошти придбано потужну обчислювальну станцію.
За результатами дослідження вже опубліковано одну роботу, ще три публікації заплановано на 2021 рік. Також учені планують розповісти про результати своєї роботи на семінарах, конференціях, під час лекцій тощо.
Що ж до кінцевих результатів, то, за словами керівника проєкту, члени команди сподіваються з’ясувати, чи можуть магнітні поля потрібної величини бути згенеровані під час інфляції і в яких моделях. Можливо, вдасться зрозуміти, які саме експерименти і спостереження потрібно провести, щоб підтвердити чи спростувати гіпотезу інфляційного магнітогенезису.
До команди, яка працює над проєктом, увійшли науковці високого рівня. Ранню історію світобудови досліджують, зокрема, фахівці, які мають досвід застосування сучасних теоретичних методів у космології, фізиці елементарних частинок, теорії плазми, спеціалісти з чисельних методів обчислення тощо. Команда молода: середній вік науковців – 35 років.
Не пасувати перед труднощами
Колегам, які планують подаватися на конкурси, Едуард Горбар радить не вагатися і обов’язково спробувати свої сили. Навіть, якщо проєкт не виграє, процес підготовки і подачі заявки допоможе чіткіше зрозуміти, які наукові проблеми сьогодні на часі, як спланувати дослідження. Іншими словами, науковцем не можна стати за помахом чарівної палички, потрібно багато працювати, ставити перед собою амбітні цілі, не боятися поразок. А якщо невдача все ж трапляється (зрештою, в науці ніколи не можна передбачити, який саме результат буде отримано), робити висновки й рухатися далі.
Світлана ГАЛАТА
