Das primordiale Magnetfeld in unserer kosmischen Nachbarschaft

In den ersten Sekundenbruchteilen unseres Universums wurden nicht nur Elementarteilchen und Strahlung sondern auch Magnetfelder erzeugt. Ein Forscherteam unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik hat nun für das lokale Universum berechnet, wie diese Magnetfelder heute aussehen sollten – mit hoher Detailschärfe und in 3D. Hierfür wurde zunächst die heutige Materieverteilung in die Zeit des Urknalls zurückgerechnet, mit dieser Materieverteilung dann die damalige Erzeugung des Magnetfeldes berechnet, und schließlich die resultierenden Felder wieder zurück in die Gegenwart übersetzt. Somit wurde erstmalig die Struktur und Morphologie des primordialen Magnetfeldes in unser kosmischen Nachbarschaft vorhergesagt. Dieses ist unfassbar schwach; die Vorhersage könnte allerdings helfen die Herausforderung seiner Messung zu meistern.

Der Urknall birgt noch viele Rätsel. Kosmologen versuchen auf vielen Wegen Informationen über die ersten Momente unseres Universums zu erhalten. Eine Möglichkeit dazu bieten kosmische Magnetfelder, die beim Urknall erzeugt wurden und bis heute im Universum überlebt haben sollen. Neben einer Reihe von höchst spekulativen Mechanismen, die für die sogenannte Magnetogenese vorgeschlagen wurden, gibt es einen einfachen plasmaphysikalischen Effekt, den Harrison-Effekt, der bereits bei der Geburt des Kosmos Magnetfelder produziert haben muss. Bei diesem Effekt erzeugen Wirbelbewegungen im Plasma des frühen Universums durch Reibung an dem sehr starken Strahlungsfeld elektrische Ströme, wodurch Magnetfelder induziert werden. Wenn man also die damaligen Plasmawirbel kennen würde, könnte man berechnen, wie diese Magnetfelder im Detail erzeugt wurden. Wüsste man zudem, wie sich das Plasma seitdem bewegt hat, könnte man auch berechnen, wie diese Magnetfelder heute aussehen sollten.

Die dafür notwendige Information ist in der Verteilung der Galaxien um uns herum enthalten, da diese aus der Materiebewegung seit dem frühen Universum resultiert. Da wir die Gesetze, die zur Galaxienbildung führen, kennen, ist es möglich – mit etwas Unsicherheit – aus der heutigen Galaxienverteilung die Evolution der Materieverteilung seit dem frühen Universum bis heute nachzuvollziehen. Die nötige Information ist damit gegeben, um die durch den Harrison-Effekt erzeugten Magnetfelder im heutigen Universum vorhersagen zu können (Highlight 12/2009: Kartographie des Universums jenseits des Bekannten).

Ein internationales Team von Wissenschaftlern unter Leitung des MPA berechnete genau nach dieser Logik die heutigen Überbleibsel der primordialen Magnetfelder in unserer kosmischen Nachbarschaft, den umliegenden 300 Millionen Lichtjahren.

Diese Magnetfelder sind extrem schwach, siebenundzwanzig Größenordnungen kleiner als das Erdmagnetfeld (siehe Illustrationen). Trotzdem konnten sehr genaue Vorhersagen für die Struktur des Magnetfeldes aus dem Blickwinkel der Erde (Illustration 1 und 2) und an bekannten Orten im Universum (Illustration 3) gemacht werden, diese sind aber leider weit unter der heutigen Messschwelle. Nichtsdestotrotz zeigen diese Rechnungen, wie genau wir unseren Kosmos schon verstehen und äußerst subtile Effekte in diesem berechnen können. Und wer weiß, wie präzise die Meßtechnik für Magnetfelder in 100 Jahren sein wird – Einstein glaubte auch, dass die von ihm vorhersagten Gravitationswellen zu schwach für eine Beobachtung wären...