Der gestrige Tag wird vermutlich in die Geschichtsbücher eingehen – zumindest in diejenigen, die sich mit der Geschichte der Wissenschaft befassen. Gestern haben Forscher eine spektakuläre Entdeckung gemacht. Eine Entdeckung, die zwar nicht unerwartet gekommen ist, aber deswegen nicht weniger beeindruckend ist. Eine Entdeckung, die uns verrät, wie unser Universum entstanden ist und eine der seltsamsten kosmologischen Hypothesen der letzten Jahrzehnte bestätigt. Die Beobachtungsdaten der Wissenschaftler zeigen, dass unmittelbar nach dem Urknall die kosmologische Inflation stattgefunden hat. Und das hat weitreichende Auswirkungen auf unser Verständnis des gesamten Universums!
Ein neuer Blick auf das Universum
Ich habe gestern schon ausführlich über die wissenschafliche Hintergründe geschrieben und erklärt, was die Inflation ist, warum man diese These entwickelt hat, wie man sie beobachten könnte und wie man sie schließlich beobachtet hat. Ich werde das hier jetzt nicht alles noch mal wiederholen (wenn ihr den Artikel also noch nicht gelesen habt, dann holt das besser vorher nach), möchte aber ein bisschen konkreter auf die eigentliche Entdeckung und deren Bedeutung eingehen.
Die wissenschaftlichen Daten der dreijährigen Beobachtungskampagne am Südpolteleskop in der Antarktis wurden in der Facharbeit mit dem Titel “BICEP2 I: Detection Of B-mode Polarization at Degree Angular Scales“. Ich bin kein Kosmologe und behaupte nicht, dass ich jedes Detail in diesem Artikel verstehe. Aber ein paar interessante Sachen möchte ich doch aufgreifen.
Die besondere Entdeckung um die es hier geht ist ja die Beobachtung von primordialen B-Moden. Dabei geht es um die Polarisation der kosmischen Hintergrundstrahlung. Diese Strahlung beobachten wir schon seit den 1960er Jahren, haben aber bisher nur ihre unterschiedliche Intensität gemessen. Aus diesen Messungen stammen Bilder dieser Art, die vermutlich jeder schon Mal gesehen hat:
Messung der Variation der kosmischen Hintergrundstrahlung des Weltraumteleskops Planck Bild: ESA and the Planck Collaboration)
Man sieht eine Darstellung des gesamten Himmels und die Farben geben an, wie hoch die Intensität der Hintergrundstrahlung ist. Die Variationen entsprechen Dichteschwankungen in der Verteilung der Materie, knapp 400.000 Jahre nach dem Urknall. Wir sehen also in eine Zeit vor 13,8 Milliarden Jahren zurück, als das Universum gerade Mal 0,00003 Prozent seines heutigen Alters erreicht hat. Und weiter können wir auch nicht direkt zurück sehen, denn zu diesem Zeitpunkt war das All das erste Mal kühl genug, damit sich Strahlung überhaupt ausbreiten konnte. Die kosmische Hintergrundstrahlung ist die älteste Strahlung im Universum und damit auch die älteste, die wir beobachten können.
Aber trotzdem ist es möglich, etwas über die Zeit davor zu erfahren! Dazu muss man nicht nur die Intensität des Lichts beobachten, sondern auch seine Polarisation. Also, simpel gesagt, nachsehen, wie die Lichtwellen ausgerichtet sind. Die Variationen in der Verteilung der Materie beeinflussen, wie das Licht sich ausbreitet und können auch seine Polarisation verändern. Das kann allerdings auf zwei grundlegend verschiedene Arten passieren. Beobachtet man die Ausrichtung der Polarisation in der Umgebung der Dichteschwankungen, dann kann man entweder ein spiegelsymmetrisches Muster bekommen oder ein wirbelförmiges Muster, das nicht spiegelsymmetrisch ist. Die beiden Fälle werden E-Moden und B-Moden genannt:
Verursacht werden die E- und B-Moden durch unterschiedliche Phänomene. E-Moden entstehen, wenn Licht an Atomen in einem Plasma gestreut wird und haben mit dem ganz frühen Universum nichts zu tun. Dafür aber die B-Moden und die hat man nun endlich beobachtet. Dieses Bild fasst die Ergebnisse der Beobachtung zusammen und wird vermutlich in Zukunft genau so ikonisch werden wie die Bilder der Intensitätsverteilung der Hintergrundstrahlung:
Man erkennt hier wunderbar, wie sich die Polarisation, angedeutet durch die Linien, wirbelförmig entwickelt (die Farben geben die Stärke des “Wirbels” im bzw. gegen den Uhrzeigersinn an), genau so wie es bei den B-Moden zu erwarten ist. Hier sehen wir übrigens nur einen Ausschnitt des gesamten Himmels, denn das Instrument mit dem die Daten gewonnen wurden, war vergleichsweise klein. Das Teleskop, das am Südpol die Mikrowellen aus dem All aufgefangen hat, hat nur einen Durchmesser von 30 Zentimetern und eben nur einen Ausschnitt des Himmels beobachtet. Das aber jahrelang und darum konnte man auch so genaue Daten sammeln.
Die Inflation messen
Ein wenig technischer sind die Daten in diesem Diagramm aufgetragen:
Auf der x-Achse sieht man das sogenannte Multipol-Moment, das im wesentlichen beschreibt, auf welchen Größenskalen am Himmel man die Daten korreliert. Soll heißen, dass man zum Beispiel zwei 10 Grad umfassende Bereiche des Himmels betrachtet und nachsieht, wie stark sich die Intensität der polarisierten Strahlung unterscheidet. Dann wiederholt man das ganze für 5 Grad große Bereiche, und so weiter. Je größer das Multipol-Moment, desto kleiner der Bereich. Auf der y-Achse ist nun die Stärke des jeweiligen Signals aufgetragen und aus diesem Spektrum kann man einiges lernen. Die schwarzen und grauen Punkte sind Korrelationen verschiedener Messwerte die man mit verschiedenen Versionen (BICEP1, BICEP2, etc) der Messgeräte gewonnen hat. Die durchgehende rote Linie ist eine theoretische Vorhersage, dessen, was man sehen müsste, wenn die B-Moden alle erst später entstehen. Wenn sich die kosmische Hintergrundstrahlung auf ihrer langen Reise durchs All bis zu uns zum Beispiel an Galaxien und Galaxienhaufen vorbei bewegt, dann kann deren gravitative Wirkung die Polarisation ebenfalls verändern. Und wenn das der einzige Effekt ist, der B-Moden verursacht, dann sollten die Datenpunkte der durchgezogenen roten Linie folgen. Das tun sie aber nicht – sondern folgen der gestrichelten roten Linie. Und die beschreibt die primordialen B-Moden!
Diese Art der Polarisierung kann nur durch die kosmische Inflation verursacht werden. Als sich das Universum unmittelbar nach dem Urknall plötzlich viel schneller ausdehnte, wurden dabei Gravitationswellen erzeugt. Die extreme Expansion hat quasi den Raum selbst zum Wackeln gebracht und diese Gravitationswellen haben die Verteilung der Materie beeinflusst. Als sich das Licht ein paar hundertausend Jahre später dann endlich ausbreiten konnte, wurde ihm die Auswirkung dieser speziellen Verteilung in Form der Polarisierung aufgeprägt. Wir haben zwar die Gravitationswellen der Inflationsphase nicht direkt gemessen, aber wir haben ein direktes Bild dieser Wellen im frühen Universum gesehen.
Die Inflation ist eine wirklich seltsame Sache. Wenn man einfach nur sagt, dass sich das Universum früher mal ein bisschen schneller ausgedehnt hat als sonst, dann ist das zwar richtig, kommt aber einer Beschreibung dessen, was wirklich passiert ist, nicht wirklich nahe. Auch eine mathematisch exakte Beschreibung lässt die Vorstellungskraft ratlos zurück: Als die Inflationsphase begann, war das Universum gerade mal 10-35 Sekunden alt. Das sind 0,00000000000000000000000000000000001 Sekunden – was die Sache aber nicht unbedingt anschaulicher macht. Als die Inflationsphase zu Ende war, war das Universum 10-32 Sekunden alt. Die ganze Sache mit der Inflation hat gerade mal 0,00000000000000000000000000000001 Sekunden gedauert. Das klingt enorm kurz und das IST auch enorm kurz. Aber in dieser enorm kurzen Zeitspanne ist das Universum von einem unvorstellbar kleinen Zustand; kleiner als ein subatomares Elementarteilchen auf die Größe eines Fußballs angewachsen. Nun ist ein Fußball im Vergleich mit den heutigen Universum verdammt winzig. Aber im Vergleich zu dem noch viel kleineren Universum unmittelbar nach dem Urknall ist ein Fußball ein gigantisch großes Gebilde! Und der kurze Zeitraum den die Inflation gebraucht hat, ist enorm lange, wenn ihn mit der damaligen Lebensdauer des Universums vergleicht. Die Inflation dauerte tausende Male länger als das Universum zu diesem Zeitpunkt alt war. Aus Sicht des Universums war es also ein ziemlich langer Vorgang.
Modelle der Inflation
Aber egal wie man probiert es zu veranschaulichen: Es wird für uns Menschen immer unvorstellbar bleiben. Umso erstaunlicher ist es, das wir in der Lage sind, solche Dinge herauszufinden! Die Beobachtung der primordialen B-Moden erlaubt es uns, Aussagen über das zu machen, was 10-35 Sekunden nach dem Urknall passiert ist! Die Geschichte mit der Inflation ist schon den 1980er Jahren entwickelt worden um verschiedene Probleme des klassischen Urknallmodells zu lösen. Damals war es der Wissenschaftler Alan Guth, der auf die Idee mit der Inflation kam und wer möchte, dem kann ich sein Buch “Die Geburt des Kosmos aus dem Nichts. Die Theorie des inflationären Universums” empfehlen, in dem er genau erklärt, wie er darauf gekommen ist. Man wusste schon damals, dass man mit der Inflation viele Probleme lösen kann; wusste aber nicht, wie genau die Inflation abläuft.
Man kann die Expansion des Universums mit einem Ball vergleichen, der einen Hügel runter rollt. Wie schnell der Ball das tut und wie sich seine Geschwindigkeit verändert, hängt davon ab, wie steil der Hügel ist und welche Form der Abhang hat. So in etwa ist es auch bei der Inflation. Verschiedene theoretische Modelle erklären die Expansion des Alls auf verschiedene Art und Weise und bis jetzt hatte man keine Möglichkeit, das konkret zu überprüfen. Die bisherigen Beobachtungen standen zumindest nicht im Widerspruch zu der Inflationshypothese und wenn das auch vielversprechend ist, reicht es doch nicht als Beleg für deren Korrektheit aus. Mit den vorhandenen Daten konnte man nur gewisse Grenzen für die “Form des Hügels” angeben aber nicht sagen, wie er wirklich aussieht. In meinem Artikel von gestern habe ich ein Bild mit solchen Grenzen gezeigt:
Dieses Diagramm zeigt zwei grundlegende Parameter, mit denen man eine bestimmte “Hügelform” beschreiben kann. Auf der x-Achse ist der “scalar spectral tilt” aufgetragen. Diese Zahl beschreibt, ob es im frühen Universum eine bestimmte bevorzugte Größenordnung gab, mit der sich die Korrelation der Strukturen beschreiben lässt und die y-Achse zeigt das “Skalar-Tensor-Verhältnis”, eine Zahl die beschreibt, wie stark der Einfluss der primordialen Gravitationswellen im Vergleich zu den anderen Dichteschwankungen war. Das ist eine ziemlich wichtige Zahl, denn sie hängt von der Temperatur des damaligen Universums ab und sagt uns etwas über die Energie, die damals im Kosmos gesteckt hat.
Die bunten Linien und Flächen geben an, wo man bisher die korrekten Werte vermutet hat und die wahrscheinlichsten Zahlen lagen irgendwo bei 0,96 für den spectral tilt und 0,06 für das Skalar-Tensor-Verhältnis. Die neuen Daten zeigen nun aber, dass das Skalar-Tensor-Verhältnis deutlich höher, bei 0,2 liegt. Das sieht nach einem Widerspruch zum dem aus, was im Bild zu sehen ist, und diesen Widerspruch sprechen die Forscher in ihrer Arbeit auch an:
“These high values of r are in apparent tension with previous indirect limits based on temperature measurements and we have discussed some possible resolutions including modifications of the initial scalar perturbation spectrum such as running. However we emphasize that we do not claim to know what the resolution is.”
Das, was in dem Bild oben gezeigt ist, ist nur eine Möglichkeit, die Daten zu interpretieren. Es gibt auch andere Modelle, wie zum Beispiel das “running” des “spectral tilt” (fragt mich nicht, was das im Detail zu bedeuten hat, aber es geht dabei wohl um die Möglichkeit, dass zu verschiedenen Zeiten verschiedene bevorzugte Größenskalen existiert haben) die sehr gut zu den neuen Daten passen, wie dieses Diagramm zeigt:
Die roten Flächen zeigen die alten Grenzen in neuer Interpretation mit “running” und die blauen Flächen die neuen Daten. Und hier passen sie wunderbar zusammen.
Was bedeutet diese Entdeckung?
Die Bedeutung dieser Beobachtung der primordialen B-Moden ist noch gar nicht komplett abzuschätzen. Aber sie wird die zukünftige Forschung auf jeden Fall maßgeblich beeinflussen. Da ist zum Beispiel die Quantengravitation. So nennen Wissenschafler den Versuch, die Theorie der Gravitation mit der Theorie der Quantenmechanik in Einklang zu bringen, was bisher noch nicht gelungen ist aber irgendwann gelingen muss. Denn erst so eine Theorie der Quantengravitation wäre in der Lage, Phänomene wie schwarze Löcher oder den Urknall selbst mathematisch korrekt zu beschreiben. Wir haben aber bis jetzt noch so gut wie keine Ahnung, wie sich die Gravitation auf subatomaren Größenskalen verhält. Die Stringtheorie wäre in der Lage, die Quantengravitation zu beschreiben, ist aber selbst eigentlich immer noch nur eine Hypothese und keine Theorie, weil es noch keine Beobachtungsdaten gibt, anhand der man sie überprüfen könnte. Kein Teilchenbeschleuniger ist in der Lage, die enorm hohen Energien zu erzeugen, die dafür nötig wären.
Mit der Beobachtung der B-Moden sind wir aber in der Lage, das Universum zu einer Zeit zu betrachten, als es von einer Energie erfüllt war, die über alles hinaus geht, was in unseren Beschleunigern stattfindet. Die Beobachtungsdaten sagen uns, dass es hier um Energien in der Größenordnung von 2 × 1016 Gigaelektronenvolt geht bzw. fast eine Billion mal mehr, als im Teilchenbeschleuniger LHC möglich ist! Das ist verdammt viel, und wir können hier Dinge lernen, die wir sonst nirgendwo lernen können!
Zum Beispiel, dass die Quantengravitation tatsächlich existiert! Die primordialen B-Moden sind ein direkter Hinweis darauf, dass im frühen Universum vor der Inflation die Gravitation tatsächlich eine quantisierte Kraft war, denn nur wenn sich die Quantenfluktuationen auch auf die Gravitation auswirken, können die primordialen B-Moden entstehen.
Es handelt sich bei dieser Beobachtung aber auch um den ersten Nachweis der Hawking-Strahlung! Die kennt man ja normalerweise nur im Zusammenhang mit schwarzen Löchern. Hier hat Stephen Hawking den Einfluss der enormen Gravitation auf die Quanteneffekte berechnet und dabei entdeckt, dass von den schwarzen Löchern eine Strahlung ausgeht. Das trifft aber auch auf das junge Universum zu. Auch das war vergleichbar mit einem schwarzen Loch; war enorm klein und enorm dicht und gab Hawking-Strahlung ab, deren Auswirkung auf die Verteilung der Materie heute in Form der B-Moden zu beobachten ist.
Und schließlich ist diese Entdeckung auch noch ein starkes Indiz für die Existenz des Multiversums. So gut wie alle modernen kosmologischen oder physikalischen Theorien deuten darauf hin, dass unser Universum nicht das einzige ist sondern viele existieren. Ich habe das in einer früheren Blog-Serie ausführlich erklärt und dabei auch über die “ewige Inflation” gesprochen. Die Idee dahinter ist, dass die Inflation kein einmaliges Ereignis ist, sondern immer wieder stattfindet. Die Quantenfluktuationen könnten nicht nur für eine kurz Inflationsphase sorgen, sondern für viele, die immer wieder auftreten und unterschiedlich lang dauern. Der Raum wäre dann vergleichbar mit einem Stück Schweizer Käse, in dem dank Inflation immer wieder Universen in die Existenz “ploppen” und die Blasen im kosmologischen Käse bilden.
Einer der Pioniere bei der Entwicklung dieses inflationären Multiversums ist der Kosmologe Andrei Linde dessen theoretische Vorhersage über die Parameter der Inflation ziemlich gut mit den neuen Beobachtungen überein stimmen. Dementsprechend erfreut war er auch, als ihn ein Kollege ohne Vorwarnung mit den Ergebnissen überrascht hat:
Linde freut sich wahrscheinlich aus mehreren Gründen. Einer davon dürfte die nun realistische Hoffnung auf einen Nobelpreis sein. Zusammen mit Alan Guth gehört er nun zu den heißesten Kandidaten für die nächsten Jahre. Aber er wird sich natürlich auch und vor allem darüber gefreut haben, dass seine theoretische Vorhersage bestätigt wurde. Das ist für einen Theoretiker immer ein tolle Gefühl und um so mehr, wenn es sich um eine Vorhersage handelt, die so weit von allem entfernt war, wie die von Linde.
Man muss sich noch einmal klar machen, dass wir hier über Vorgänge sprechen, die vor 13,8 Milliarden Jahren stattgefunden haben! Über Dinge, die so kurz nach dem Urknall selbst passiert sind, dass es keine Möglichkeit gibt, diesen Zeitraum irgendwie anschaulich zu machen. Über Vorgänge, die in einem Universum stattgefunden haben, das kleiner war als ein Atom. Ein Universum, in dem nichts auch nur annähernd Vertrautes existiert hat, nur ein wildes Gewimmel von Energie, Quantenfelder und anderen seltsamen Sachen. Und trotzdem sind wir Menschen in der Lage, über dieses Universum nachzudenken, Theorien zu dessen Beschreibung zu entwickeln und diese Theorien dann auch noch mit Beobachtungen zu überprüfen!
Die Entdeckung der primordialen B-Moden war nur der erste Schritt. Jetzt müssen die Daten erst Mal in Ruhe von der wissenschaftlichen Gemeinschaft geprüft werden. Wir müssen warten, bis auch die anderen Experimente (die Daten der Planck-Mission) ihre Beobachtungen veröffentlicht haben und sehen, ob sie die Erkenntnisse bestätigen oder nicht. Und wir müssen, so wie immer, neue und bessere Instrumente bauen. Aber dann steht uns ein völlig neues Universum offen! Gestern haben wir den ersten Blick in diesen fremden Kosmos geworfen, der irgendwann zu unserem Zuhause werden sollte. Wer weiß, was wir noch alles entdecken werden, wenn wir erst richtig gelernt haben, dieses Universum zu beobachten!
Kommentare (85)