Magnetkräfte ohne Magnete
Physiker berechnet Feldstärken im frühen Universum.
Magnete sind praktische Alltagsgegenstände geworden. Das Universum bestand früher jedoch nur aus nicht magnetischen Elementen und Teilchen. Wie die magnetischen Kräfte entstanden, hat Reinhard Schlickeiser vom Institut für Theoretische Physik der Ruhr-Universität Bochum erforscht. Er beschreibt nun einen neuen Mechanismus für die Magnetisierung des Universums, noch vor dem Entstehen der ersten Sterne.
Vor der Bildung der ersten Sterne bestand die leuchtende Materie nur aus einem vollständig ionisierten Gas aus Protonen, Elektronen, Helium-Kernen und Lithium-Kernen, die während des Urknalls entstanden. „Alle höheren Metalle, zum Beispiel das magnetische Eisen, konnten nach heutiger Vorstellung nur im Inneren der Sterne ausgebrütet werden“, erklärt Schlickeiser. „Zu frühen Zeiten gab es also keine Dauermagnete im Universum.“ Die Parameter, die den Zustand eines Gases beschreiben, sind jedoch nicht konstant. Dichte und Druck sowie elektrische und magnetische Felder schwanken um bestimmte Mittelwerte. Durch diese Fluktuation entstanden an bestimmten Stellen im Plasma schwache Magnetfelder, sogenannte Zufallsfelder. Wie stark diese Felder in einem vollständig ionisierten Plasma aus Protonen und Elektronen sind, hat Schlickeiser nun berechnet, und zwar für die Gasdichten und -temperaturen, die in den Plasmen des frühen Universums vorkamen.
Das Ergebnis: Die Magnetfelder fluktuieren abhängig von der Position im Plasma, jedoch unabhängig von der Zeit – anders als zum Beispiel elektromagnetische Wellen wie Lichtwellen, die über die Zeit hinweg variieren. Überall im leuchtenden Gas des frühen Universums lag ein Magnetfeld mit einer Stärke von 10-20 Tesla vor. Das Magnetfeld der Erde – zum Vergleich – besitzt eine Stärke von 30 × 10-6 Tesla; in Kernspintomografen sind inzwischen Feldstärken von drei Tesla üblich. Das Magnetfeld in den Plasmen des frühen Universums war also sehr schwach, aber es erstreckte sich über nahezu 100 Prozent des Plasmavolumens.
Sternenwinde oder Supernova-Explosionen der ersten massereichen Sterne erzeugten Stoßwellen, die die magnetischen Zufallsfelder in bestimmten Bereichen komprimierten. Dadurch wurden die Felder verstärkt und großräumig ausgerichtet. Schließlich war die magnetische Kraft so stark, dass sie wiederum die Stoßwellen beeinflusste. „Das erklärt das oftmals beobachtete Gleichgewicht aus magnetischen Kräften und thermischem Gasdruck in kosmischen Objekten“, sagt Schlickeiser.
Die Rechnungen zeigen, dass alle vollständig ionisierten Gase im frühen Universum schwach magnetisiert waren. Magnetische Felder existierten also schon vor den ersten Sternen. Als nächstes wird der Bochumer Physiker untersuchen, wie sich die schwachen Magnetfelder auf Temperaturschwankungen in der kosmischen Hintergrundstrahlung auswirken.
RUB / PH
