Der Schlüssel der Dunklen Materie zu einem kosmischen Rätsel

Wir wissen nicht, wie Magnetfelder entstanden sind. Jetzt zeigen neue theoretische Forschungen, wie der unsichtbare Teil unseres Universums uns bei seiner Entdeckung helfen könnte, was auf eine ursprüngliche Entstehung hindeutet, sogar innerhalb einer Sekunde nach dem Urknall.

Die im gesamten Kosmos verstreuten Mini-Halos aus dunkler Materie könnten als hochempfindliche Sonden für ursprüngliche Magnetfelder fungieren. Dies geht aus einer theoretischen Studie hervor, die von SISSA durchgeführt und in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Magnetfelder sind in immensen Ausmaßen überall im Universum zu finden. Ihre Ursprünge sind jedoch immer noch Gegenstand von Debatten unter Wissenschaftlern. Eine faszinierende Möglichkeit besteht darin, dass Magnetfelder kurz vor der Geburt des Universums selbst entstanden sind, es sich also um ursprüngliche Magnetfelder handelt.

In der Studie zeigten die Forscher, dass magnetische Felder, wenn sie tatsächlich ursprünglich sind, zu einer Zunahme der Störungen der Dichte dunkler Materie auf kleinen Skalen führen könnten. Der ultimative Effekt dieses Prozesses wäre die Bildung von Mini-Halos aus dunkler Materie, deren Entdeckung auf die ursprüngliche Natur von Magnetfeldern hinweisen würde.

In einem scheinbaren Paradox könnte also der unsichtbare Teil unseres Universums nützlich sein, um die Natur einer Komponente des sichtbaren Teils aufzuklären.

In der Studie zeigten die Forscher, dass magnetische Felder, wenn sie tatsächlich ursprünglich sind, zu einer Zunahme der Störungen der Dichte dunkler Materie auf kleinen Skalen führen könnten. Der ultimative Effekt dieses Prozesses wäre die Bildung von Mini-Halos aus dunkler Materie, deren Entdeckung auf die ursprüngliche Natur von Magnetfeldern hinweisen würde. Bildnachweis: Lucie Chrastecka

Licht ins Dunkel der Entstehung magnetischer Felder bringen

„Magnetfelder sind im Kosmos allgegenwärtig“, erklärt Pranjal Ralegankar von SISSA, der Autor der Forschung. „Eine mögliche Theorie zu ihrer Entstehung legt nahe, dass die bisher beobachteten Exemplare in den frühen Stadien unseres Universums entstanden sein könnten. Diesem Vorschlag fehlt jedoch eine Erklärung im Standardmodell der Physik.

Um diesen Aspekt zu beleuchten und einen Weg zu finden, „ursprüngliche“ Magnetfelder zu erkennen, schlagen wir mit dieser Arbeit eine Methode vor, die wir als „indirekt“ bezeichnen könnten. Unser Ansatz basiert auf einer Frage: Welchen Einfluss haben Magnetfelder auf die Dunkle Materie?“ Es ist bekannt, dass es keine direkte Interaktion gibt. Dennoch gibt es, wie Ralegankar erklärt, „einen indirekten Effekt, der durch die Schwerkraft entsteht.“

Direkt aus dem Uruniversum

Ursprüngliche Magnetfelder können Dichtestörungen von Elektronen und Protonen im Uruniversum verstärken. Wenn diese zu groß werden, beeinflussen sie die Magnetfelder selbst. Die Folge ist die Unterdrückung von Schwankungen im Kleinen.

Ralegankar erklärt: „In der Studie zeigen wir etwas Unerwartetes. Die Zunahme der Baryonendichte induziert gravitativ die Zunahme von Störungen der Dunklen Materie ohne die Möglichkeit einer späteren Aufhebung. Dies würde dazu führen, dass sie in kleinen Maßstäben zusammenbrechen und Mini-Halos aus dunkler Materie erzeugen.“

Die Konsequenz, so der Autor weiter, sei, dass Schwankungen in der Dichte der baryonischen Materie zwar aufgehoben würden, diese jedoch Spuren in den Mini-Halos hinterlassen würden, und zwar ausschließlich durch Gravitationswechselwirkungen.

„Diese theoretischen Erkenntnisse“, schließt Pranjal Ralegankar, „deuten auch darauf hin, dass die Häufigkeit von Mini-Halos nicht durch das gegenwärtige Vorhandensein ursprünglicher Magnetfelder bestimmt wird, sondern vielmehr durch deren Stärke im ursprünglichen Universum.“ Daher würde die Entdeckung von Mini-Halos aus dunkler Materie die Hypothese bestätigen, dass sich Magnetfelder sehr früh gebildet haben, sogar innerhalb einer Sekunde nach dem Urknall.“

Referenz: „Dark Matter Minihalos from Primordial Magnetic Fields“ von Pranjal Ralegankar, 8. Dezember 2023, Briefe zur körperlichen Untersuchung.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.231002