Magnetische velden zijn overal om je heen. Ze komen van het snoer van de brandende tafellamp, de batterij van je mobiel en de grond onder je voeten.
Alle velden ontstaan door elektrische ladingen in beweging. In het snoer en je mobiel zijn het de elektronen die door de circuits reizen. In de kern van de aarde is het de rotatie van vloeibaar ijzer, en in sterren zoals onze zon is het de beweging van losgeraakte deeltjes in het plasma.
Magnetische velden reiken tot ver in de ruimte. Veldlijnen lopen van ster tot ster door ons hele stelsel, en nog grotere magneetvelden strekken zich uit tussen de sterrenstelsels in gigantische clusters.
In 2019 toonden observaties aan dat de velden zich ook op de allergrootste schaal voordoen – in het zogeheten kosmische spinnenweb, waar slierten dunne gassen de clusters met elkaar verbinden.
Magnetisme van de oerknal kan bepalend zijn voor de ontwikkeling van het heelal.
Een internationaal astronomenteam ontdekte 50 miljoen lichtjaar magnetische veldlijnen langs een van de gasdraden, wat een fundamentele vraag oproept: zit de uitgestrekte leegte in het heelal tussen de gasdraden ook vol magneetvelden?
Zo ja, dan is magnetisme ontstaan bij de oerknal en speelde deze een grote rol in de verdeling van alle materie.
Het kosmische spinnenweb is magnetisch
1. Stelsels zijn magnetisch
In stelselclusters zijn sterke magnetische krachten aan het werk. Ze helpen gassen zich te verzamelen tot sterren.
2. Gassen hebben magnetische velden
De lange slierten gas die de clusters verbinden zijn omgeven door magnetische veldlijnen, blijkt uit nieuw onderzoek.
3. Vacuüm is een vraag
Of het grote vacuüm in het heelal ook gemagnetiseerd is, valt te bezien. Zo ja, dan is magnetisme ontstaan bij de oerknal.
Naast de zwaartekracht is magnetisme de enige bekende natuurkracht die in staat is om het heelal vorm te geven.
En als astronomen kunnen aantonen dat het ook in de grote leegten bestaat, zouden we antwoorden kunnen krijgen op onder meer de vraag hoe de allereerste sterren in het heelal ontstoken werden.
Kraamhulp voor de sterren
Alle sterren zijn gevormd in stelsels, en magnetisme speelde hierbij een sleutelrol. In de nevels van stelsels krijgt de zwaartekracht hulp van magnetische velden om de materie voor sterren bijeen te brengen.
Wanneer de magnetische veldlijnen recht in een nevel lopen, kan het veld zelfs tot stromen van gas leiden die naar een bepaald deel van de nevel geleid worden.
De donkere nevel onderaan de foto beweegt zich langs de magnetische veldlijnen naar het gebied van intense stervorming.
De zwaartekracht versnelt het proces, waardoor de gasdichtheid, temperatuur en druk toenemen. Uiteindelijk wordt de wolk zo heet dat er fusieprocessen gaan lopen en de sterren ontbranden.
Maar hoe werden de eerste sterren in de vroegste dwergstelsels gevormd? Dat was zonder de hulp van magneetvelden, al weten astronomen niet hoe, óf door het magnetisme van de oerknal.
Oerveld is indirect gezien
Astronomen denken dat oermagnetisme in de eerste microseconde na de oerknal ontstaan kan zijn – of tijdens de 380.000 jaar daarna, toen alle materie bestond uit een turbulent plasma van losgeraakte protonen en elektronen.
Nu zal het oermagnetisme zo zwak zijn dat er maar één plaats is waar we het kunnen waarnemen: in de grote leegten van het heelal, waar het niet verstoord en overstemd wordt door de veel sterkere velden die later in clusters zijn ontstaan.
Om dit te doen hebben astronomen een slimme indirecte methode bedacht die nu al bewijzen van het oerveld heeft opgeleverd. Deze methode houdt in dat gammastralen van extreem heldere lichtbronnen rond superzware zwarte gaten in verre sterrenstelsels gemeten worden.
Terwijl ze door de leegte van het heelal reist, wordt een deel van de sterke straling omgezet in geladen deeltjes, die op hun beurt worden omgezet in gammastralen, maar nu met veel lagere energie.
Als er geen magnetisme in de leegte is, zal die straling onze telescopen bereiken. Maar als de leegte gemagnetiseerd is, zal het veld de geladen deeltjes wegvegen en kan hun straling ons niet bereiken.
Zwarte gaten kunnen magnetisme aantonen
Als superzware zwarte gaten in het hart van stelsels gas opslokken, zenden ze straalstromen uit vanaf hun polen. Als de straalstroom recht naar de aarde wijst, kan hij laten zien of er magnetisme is in de leegte van het heelal.
1. Het zwarte gat zendt straling uit
De straalstroom uit het zwarte gat bestaat uit geladen deeltjes die door het stelsel razen met bijna de lichtsnelheid. Onderweg zenden de deeltjes grote hoeveelheden zeer energierijke gammastralen uit.
2. Straling verandert in geladen deeltjes
Terwijl de sterke gammastralen door een van de leegten van het heelal reizen, veranderen sommige fotonen daarin spontaan in paren elektronen en hun positief geladen antideeltjes, positronen genoemd.
3. Deeltjes worden weer straling
Op hun verdere reis vervallen deze elektronen en positronen weer tot gammastralen, maar nu met lagere energie. Als de leegten geen magnetische velden bevatten, gaat de energiezwakke straling ongehinderd naar de aarde verder.
4. Magnetisch veld verwijdert de zwakke straling
Als de leegte gemagnetiseerd is, veegt het veld de geladen deeltjes weg en zal de straling ervan de aarde nooit bereiken. NASA’s Fermi ruimtetelescoop heeft zojuist deze afwezigheid van energiezwakke straling ontdekt.
Astronomen verrichtten de metingen met de ruimtetelescoop Fermi, en die heeft de zwakke straling niet opgepikt, wat erop wijst dat het oerveld bestaat.
Veld beïnvloedt groei van heelal
Het oermagnetisme is zo zwak dat de veldsterkte slechts een biljardste is van die van een gewone koelkastmagneet.
Die kracht is interessant in verband met een ander groot raadsel: hoe snel dijt het heelal uit? Wetenschappers hebben tot dusver twee antwoorden op deze vraag gevonden met verschillende methoden.
De ene is gebaseerd op de kosmische achtergrondstraling, een snapshot van 380.000 jaar na de oerknal, waaruit het huidige heelal wordt berekend.
Bij de tweede methode beginnen de onderzoekers in het heden en meten ze de afstand tot nabije en verre supernova’s, die allerlei tijdperken van de geschiedenis van het heelal vertegenwoordigen.
Het punt is dat de laatste methode een 10 procent snellere uitdijing geeft dan de eerste. Maar nieuwe computersimulaties, waarin het oermagnetisme van de eerste methode is verwerkt, komen op dezelfde snelheid uit als de supernova’s. Zo lijkt het probleem opgelost te zijn.
SKA moet uitsluitsel geven
Maar voor de champagnekurken knallen, moet eerst rechtstreeks bewijs voor het bestaan van oermagnetisme gevonden worden. De radiotelescoop SKA, die in Zuid-Afrika en Australië wordt gebouwd en in 2028 klaar moet zijn, biedt kansen.
Schotels en antennes in Zuid-Afrika (l) en Australië (r) zullen samen ’s werelds grootste radiotelescoop vormen: de SKA. Als die voltooid is, kan hij het oermagnetisme van het heelal aantonen.
Met zijn duizenden antennes op de twee continenten kan de SKA het oerveld detecteren door radioflitsen van verre clusters van stelsels op te vangen.
De radiogolven van de flitsen trillen altijd in één vlak, zeg verticaal. Maar als de golven in een leegte op magnetische velden stuiten, keert het vlak en trillen ze horizontaal. Over een aantal jaar zal de SKA het bestaan van oermagnetisme met data kunnen bewijzen of ontkrachten.
Dan zullen we eindelijk weten of het magnetisme dat overal in onze omgeving is, helemaal teruggaat tot de geboorte van het heelal bij de oerknal.
