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Astronomie+Physik

Magnetische Relikte des Urknalls

Himmelskarte
Blick auf das Unsichtbare: Diese Himmelskarte zeigt die Harrison-Magnetfeldstärke, gemittelt über eine Kugel von ungefähr 300 Millionen Lichtjahren Radius. (Grafik: MPI für Astrophysik)

In den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall entstanden nicht nur Elementarteilchen und Strahlung, sondern auch Magnetfelder. Ein Forscherteam hat nun für das Weltall in unserer Umgebung berechnet, wie diese Magnetfelder heute aussehen müssten – mit hoher Detailschärfe und in 3D. Das Ergebnis: Die Relikte der primordialen Felder sind noch vorhanden, aber ihre Feldstärke ist so gering, dass sie mit heutigen Mitteln nicht direkt nachweisbar sind.

Der Urknall birgt noch viele Rätsel. Kosmologen versuchen auf unterschiedlichen Wegen, Informationen über die ersten Momente unseres Universums zu erhalten. Eine Möglichkeit dazu bietet die Hintergrundstrahlung – ein schwaches Mikrowellen-„Summen“, das von der rund 380.000 Jahre nach dem Urknall freigesetzten energiereichen Strahlung herrührt. Ein weiteres Relikt aus der Frühzeit des Universums sind aber auch kosmische Magnetfelder, die bei der Geburt des Weltalls erzeugt wurden und bis in unsere Zeit überlebt haben sollten – theoretisch. Gängiger Annahme nach müssten Wirbelbewegungen im Plasma des frühen Universums durch Reibung an dem sehr starken Strahlungsfeld elektrische Ströme erzeugt haben. Durch diesen sogenannten Harrison-Effekt wiederum müssten dann Magnetfelder entstanden sein.

Fenster in das frühe Universum

„Die primordialen Magnetfelder eröffnen uns ein einzigartiges Fenster in das frühe Universum – in die Zeit zwischen der kosmischen Inflation und der Rekombination“, erklären Sebastian Hutschenreuter vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching und seine Kollegen. Denn aus ihrer Verteilung und Reststärke könnte man auf die Verteilung des primordialen Plasmas schließen. Umgekehrt verrät die heutige Materieverteilung zusammen mit der kosmischen Hintergrundstrahlung einiges über die Verteilung des frühen Plasmas. Das ermöglicht es, aus der gegenwärtigen Verteilung der Galaxien die Evolution der Materieverteilung seit dem frühen Universum bis heute recht genau nachzuvollziehen. Und mit dieser Information wiederum lassen sich die heutigen Reste der durch den Harrison-Effekt erzeugten Magnetfelder ermitteln.

Genau dies ist nun Hutschenreuter und seinen Kollegen gelungen. Für ihre Studie untersuchten sie zunächst die Verteilung von Galaxien, aber auch der Dunklen Materie in unserer Umgebung und kalkulierten daraus die Materieverteilung zur Zeit des Urknalls. Sie berücksichtigten den Harrison-Effekt und übersetzten schließlich die damit produzierten Felder wieder in die Gegenwart. So konnten die Wissenschaftler Struktur und Morphologie des primordialen Magnetfelds in den umliegenden 300 Millionen Lichtjahren vorhersagen.

Extrem schwache Reste

Wie die Forscher feststellten, könnten tatsächlich noch heute Magnetfelder aus der Anfangszeit des Kosmos vorhanden sein. Diese allerdings sind extrem schwach: Bereits Sekundenbruchteile nach dem Urknall muss ihren Berechnungen nach die Feldstärke auf nur 10 hoch -23 Gauss abgefallen sein – das ist weniger als ein Trilliardstel Gauss. Heute liegt die Feldstärke in Galaxienhaufen sogar nur noch bei 10 hoch -27, in leeren Stellen des Kosmos bei 10 hoch -29 Gauss, wie Hutschenreuter und seine Kollegen berichten. Das bedeutet leider auch: Das berechnete Magnetfeld ist 27 Größenordnungen kleiner als jenes der Erde und liegt damit weit unter der aktuellen Messschwelle. Ob diese primordialen Felder heute noch existieren, lässt sich – zumindest mit heutiger Technik – daher nicht direkt ermitteln.

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Dennoch: Die sehr präzisen Vorhersagen für die Struktur des Magnetfelds aus dem Blickwinkel der Erde und an bekannten Orten im Universum zeigen, wie genau wir den Kosmos schon verstehen und äußerst subtile Effekte in diesem berechnen können. Und wer weiß, wie exakt die Messtechnik für Magnetfelder in 100 Jahren sein wird – Einstein glaubte ja auch, dass die von ihm vorhergesagten Gravitationswellen zu schwach für eine Beobachtung wären…

Quelle: Sebastian Hutschenreuter (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching) et al., Classical and Quantum Gravity, in press

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