— Published on 25/05/2015 / Bug.hr.
Postoje znanstvena otkrića koja je izuzetno teško prenijeti široj javnosti. Naprosto zato što se temelje na mnoštvu ideja koje su jako daleko od svakodnevnog iskustva. Jedno od takvih otkrića, koje je meni osobno dosad bilo najteže za prepričati, objavljeno je prije par dana u vodećem astronomskom časopisu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Ukratko, autori su analizom difuznog gama-zračenja, opaženog satelitom Fermi, rekonstruirali međugalaktičko magnetsko polje, utvrdili da je ono uglavnom lijevoruko uvijeno kao što predviđaju neki teorijski modeli ranog svemira i zaključili da je takvo primordijalno magnetsko polje odredilo dominaciju materije nad antimaterijom u svemiru. Ima li svojstvo lijevorukosti/desnorukosti ikakve veze s izborom materije/antimaterije? Ima. Neke čestice materije, primjerice neutrini, isključivo su lijevoruke dok su njihove antičestice, antineutrini, isključivo desnoruke. No, krenimo redom.
Najprije, polje je neko svojstvo u prostoru. To svojstvo ima svoj izvor. Primjerice, izvor gravitacijskog polja je masa. Izvor električnog polja je električni naboj. Izvor magnetskog polja nije magnetski naboj ili magnetski monopol (tako nešto ne postoji) nego opet električni naboj, ali u gibanju. Usmjereno gibanje električnog naboja nazivamo električnom strujom. Dakle, električna struja je ono što stvara magnetsko polje. Lako se osobno uvjeriti da struja koja teče kroz neku žicu djeluje na magnetsku iglu kompasa koji je u blizini te žice. Relativno je lako razumjeti i Zemljin magnetizam: električki nabijene čestice, elektroni i ioni, usmjereno se gibaju s tekućim slojevima duboko ispod Zemljine kore i ta električna struja stvara Zemljino magnetsko polje.
Mjerna jedinica za magnetsko polje je tesla. Magnetsko polje od 1 T je prilično jako. Toliko je polje unutar zavojnice transformatora za gradsku mrežu. Supravodljivi magneti Velikog hadronskog sudarača na CERN-u dosežu polje od oko 8 T. Sa 16 T može se postići levitacija žabe, a 45 T je najjače stalno polje dobiveno u laboratoriju. Najjače magnetsko polje u svemiru je milijardu tesla. Takvo polje oko sebe stvara magnetar, jedna vrsta neutronske zvijezde. Govorimo o maksimalnim vrijednostima koje s udaljenostima, naravno, opadaju. Trajni magnet za hladnjak ima maksimalno polje od 5 tisućinki tesla. Zemljino magnetsko polje je tipično 50 milijuntinki tesla. Magnetsko polje u ljudskom mozgu iznosi oko jednu bilijuntinku tesla. Međugalaktičko magnetsko polje je, pazite sad, još milijun puta slabije od magnetskog polja u ljudskom mozgu. U znanstvenom zapisu: deset na minus osamnaestu tesla. Kako uopće možemo izmjeriti tako slabo polje koje je, osim toga, nezamislivo udaljeno: u prostoru između dalekih galaksija?
Prije nego pokušam objasniti kako se izvangalaktičko magnetsko polje mjeri, zadržat ću se na zanimljivom pitanju nastanka tog polja. Spomenuo sam da je električna struja izvor magnetskog polja. No, stvar nije baš tako jednostavna. Gdje je, recimo, struja u trajnome magnetu, onomu koji drži popis za kupovinu na vratima hladnjaka? U tom se slučaju još možemo izvući sa strujama: u atomima se gibaju elektroni pa atomi mogu djelovati kao mali magnetići; kad ti magnetići nisu orijentirani nasumično nego većinom u istom smjeru onda dobijemo makroskopski magnet – objekt oko kojega postoji magnetsko polje, naizgled bez struje. Ipak, magnetsko polje može nastati i čak bez električne struje, primjerice samo promjenom električnog polja. I što onda stvara izvangalaktičko magnetsko polje? Kao u slučaju trajnog magneta, oko kojega postoji magnetsko polje, moguće je da galaksije – ili barem neke vrste galaksija – svojim vlastitim gibanjem stvaraju magnetska polja na velikoj skali. Konkretno, aktivne galaktičke jezgre izbacuju dva nasuprotna mlaza nabijenih čestica koji mogu biti stotinama puta dulji od promjera jedne galaksije. To su zapravo električne struje na najvećoj skali i one vjerojatno daju doprinos izvangalaktičkom magnetskom polju. No, to nije sve. Teorijski modeli razvoja svemira u ranoj fazi predviđaju procese koji su trebali stvoriti primordijalno magnetsko polje čiji bi ostaci trebali biti opazivi i danas. Rezultati objavljeni u spomenutom članku odnose se upravo na takvo izvangalaktičko magnetsko polje koje je, poput kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja, ključno za razumjevanje nastanka struktura – galaksija, skupova galaksija i superskupova – koje danas vidimo.
Konačno, kako se mjeri izvangalaktičko magnetsko polje? Posredno, kao i mnoge druge fizičke veličine. Istraživači su, u spomenutom radu, koristili opažanja provedena instrumentom LAT na satelitu Fermi. Radi se o gama-zračenju koje ne dolazi iz nekog pojedinog izvora, nego o difuznom gama-zračenju koje dolazi iz svih smjerova neba. Naime, upravo je raspršenost toga zračenja ona karakteristika koja je povezana s magnetskim poljem. Evo kako. Gama-zrake visokih energija koje nastaju u izvorima poput aktivnih galaktičkih jezgara putuju pravocrtno. Neutralne su pa ih magnetsko polje ne skreće. Međutim, neke od tih gama-zraka nalijeću na fotone niskih energija, primjerice infracrveno zračenje zvijezda ili kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje, i pritom stvaraju elektron-pozitron par. Elektron i pozitron su električki nabijene čestice koje skreću u magnetskom polju. Dakle, otklone se od prvobitnog smjera koji je imala gama-zraka. Skretanje ovisi o iznosu magnetskog polja, o brzini nabijenih čestica i o kutu između smjera magnetskog polja i smjera brzine čestice. Na kraju taj elektron ili pozitron, kojeg je magnetsko polje skrenulo, može naletjeti na neki foton niske energije, predati mu dio svoje energije i stvoriti od njega gama-zraku. Tako stvorene gama-zrake zajedno čine difuzno gama-zračenje iz kojeg se može očitati otisak magnetskog polja.
I za kraj, možda najteži dio priče – lijevorukost. Kao prvo, magnetsko polje je vektorska veličina. To znači da osim iznosa ima smjer i orijentaciju. Zamislimo vektor kao usmjerenu dužinu, strelicu koja ima početak i kraj. Vektorsko polje možemo si donekle predočiti kao prostor u kojem iz svake točke "izlazi" jedna strelica. Ipak, prorijedimo tu gustu šumu strelica tako da ostane po jedna svakih, recimo, deset metara. I neka bude velika kao prometni znak, podignut dva metra iznad ceste. Zamislimo da vozimo dugačkom, ravnom cestom punom takvih "znakova", ali takvih da je svaki idući nagnut jedan stupanj ulijevo. Imali bismo dojam da, kako se gibamo, strelica rotira ulijevo. To bi bila neka gruba vizualizacija lijevoruko uvijenog polja, kakvo je pronađeno u međugalaktičkom prostoru. U kemiji su poznate molekule koje imaju svojstvo uvijenosti na lijevu ili desnu stranu, ali uvijek samo na jednu jedinu. Ne postoji lijevoruko i desnoruko uvijena verzija iste molekule. To svojstvo molekula nazivamo kiralnošću. U fizici čestica postoji svojstvo koje nazivamo helicitetom, što nije baš isto kao i kiralnost, ali je u bliskoj vezi. Uglavnom, lijevorukost/desnorukost može biti povezana s česticom/antičesticom. Zato bi lijevorukost primordijalnog magnetskog polja mogla biti odgovorna za prevagu čestica nad antičesticama. Amen.