Unser Universum wird von Magnetfeldern durchzogen, für deren Entstehung es bislang keine befriedigende Erklärung gibt. Manche Forscher erklären die Existenz dieser Magnetfelder mit der Annahme, dass die heute masselosen Photonen während der frühen Expansionsphase des Universums eine Masse hatten. Tomislav Prokopec von der Universität Heidelberg und seine Kollegen haben die Herkunft der Photonenmasse jetzt auf ein solides mathematisches Fundament gestellt. Die Physiker stellen ihre Theorie in der Fachzeitschrift Physical Review Letters (Bd. 89, Nr. 10, 101301) vor.
Prokopec und seine Kollegen gehen von der Existenz eines so genannten “leichten geladenen skalaren Teilchens” aus, das von einigen Theorien vorhergesagt wird. Kurz nach dem Urknall dehnte sich das Universum gemäß der Inflationstheorie schlagartig um einen gigantischen Faktor aus. Das hatte zur Folge, dass die skalaren Teilchen das Vakuum polarisierten: Wie bei allen Teilchen entstehen auch von diesen skalaren Teilchen im Vakuum fortwährend Paare virtueller Teilchen aus dem Nichts und werden gleich anschließend wieder vernichtet, wenn sie erneut zusammentreffen.
Wegen der schlagartigen Ausdehnung des Universums wurden die Teilchenpaare aber sofort nach ihrer Entstehung auseinandergerissen. Weil sie sich nun nicht mehr gegenseitig vernichten konnten, wurden dadurch aus den virtuellen Teilchen reale Teilchen.
Diese Vakuumpolarisation hatte Auswirkungen auf die Photonen. Wie Prokopec und seine Kollegen berechnet haben, benötigten Photonen in diesem See aus skalaren Teilchen mehr Energie für ihre Erzeugung. Praktisch erhielten sie dadurch eine Masse. “Es ist, als ob man sich durch Wasser bewegen müsste”, so erklärt Prokopec die Massenzunahme der Photonen.
Nach Ende der Inflationsphase verloren die Photonen ihre Masse wieder. Doch ein Teil der dabei von den Photonen abgegebenen Energie wurde in schwache Magnetfelder umgewandelt.
Wenn zu dem Zeitpunkt, als sich die ersten Galaxien bildeten, schwache Magnetfelder einer Stärke von etwa einem Milliardstel Trilliardstel Gauß existierten, dann können Astrophysiker die heutige Stärke der galaktischen Magnetfelder von etwa einem Millionstel Gauß erklären. Zum Vergleich: Die Stärke des Erdmagnetfeldes beträgt 0,6 Gauß.
Axel Tillemans
