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Gravitationswellen bestätigen inflationären Kosmos : Das Beben des Urknalls

Der Beweis der kosmischen Inflation, der keiner war: Polarisationsmessungen der kosmischen Hintergrundstrahlung der Bicep2 Kollaboration. Bild: AP

Ein Teleskop am Südpol hat jene Verzerrungen der Raumzeit gemessen, die Albert Einstein einst vorhersagte. Sie stammen vom Urknall und den Sekundenbruchteil danach. Die Daten spiegeln einen Kosmos, wie er vor 13,8 Milliarden Jahren war.

          Die Nachricht kam über Nacht in die Welt und breitete sich wie ein digitales Beben rund um den Globus aus: Eine amerikanische Forschergruppe habe, so war es vorab in einigen Online-Medien zu lesen, mit einem Teleskop am Südpol vermutlich Gravitationswellen nachgewiesen, die Albert Einstein einst vorhergesagt hatte und die noch dazu vom Urknall stammten. Jedem Leser war klar: Sollten sich die Gerüchte bestätigen, wäre das eine Sensation, vergleichbar mit der Entdeckung des Higgs-Teilchens vor zwei Jahren.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          An diesem Montag um 17:00 Uhr (mitteleuropäischer Zeitrechnung) kam dann die Bestätigung. Auf einer Pressekonferenz am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge (Massachusetts) präsentierten die Forscher um John  Kovac ihre jüngsten Messungen der Öffentlichkeit. Und tatsächlich, so scheint es auf den ersten Blick, haben die Astrophysiker in ihren Daten deutliche Hinweise auf Gravitationswellen entdeckt, die vom Urknall und von der anschließenden raschen explosionsartigen Ausdehnung des frühen Universums vor 13,8 Milliarden Jahren ausgelöst wurden. Damit ist gewissermaßen erstmals das „Echo“ des kosmischen Urereignisses gemessen worden, aus dem sich das gesamte Universum bis zum heutigen Tag entwickelt hat.

          Das Bicep2-Teleskop (im Vordergrund), im Hintergrund sieht man das South Pole Telescope (SPT)

          Das Nachglühen des heißen Universums

          Die Signale sind mit dem Teleskop Bicep2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) registriert worden. Das Instrument, das sich unweit amerikanischen Amundsen-Scott-Station am Südpol befindet, vermisst seit 2010 den Himmel im Mikrowellenbereich – also in einem Frequenzbereich, in dem auch die kosmische Hintergrundstrahlung flackert. Diese auch als Nachglühen des Urknalls benannte Strahlung stammt aus einer Zeit, als das Universum gerade mal 380 000 Jahre alt war und aus seiner finstersten Epoche erwachte.

          Davor war der Kosmos noch eine undurchdringliche heiße, aus Protonen, Elektronen und Photonen bestehende Ursuppe, die sich rasch aufblähte. Erst als sich die ersten Wasserstoffatome bildeten und das Universum auf etwa 3000 Grad abkühlte, begann sich der Kosmos allmählich zu lichten, wurde durchsichtig und kühlte weiter ab. Die Photonen, die mit den entstehenden Atomen weniger stark wechselwirkten als mit den Elektronen und sich fortan ausbreiten konnten, sind noch heute als Hintergrundstrahlung im Mikrowellenbereich zu beobachten.

          Etwa 13,8 Milliarden Jahre sind seit dem Urknall vergangen

          Verräterische Asymmetrie im Spektrum

          Wie die Astrophysiker der Bicep-Kollaboration in Harvard verkündeten, haben sie in ihren Messkurven deutliche Zeichen dafür entdeckt, dass die Hintergrundstrahlung polarisiert ist, also vorwiegend in eine Vorzugsrichtung schwingt. Die Astrophysiker werten diese Asymmetrie in Form sogenannter B-Moden als ein deutlichen Beleg dafür, dass beim Urknall und der unmittelbar darauffolgenden raschen Expansion des frühen Universums innerhalb der ersten Sekundenbruchteile Gravitationswellen erzeugt wurden, die sich noch immer mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.

          Da diese primordialen Gravitationswellen viel früher entstanden sind als die Mikrowellenstrahlung, haben sie der weitgehend homogenen und ursprünglich unpolarisierten Hintergrundstrahlung eine Asymmetrie aufgeprägt, die in den Messungen der Bicep-Gruppe deutlich zutage tritt. Die Gravitationswellen des Urknalls haben die Mikrowellenstrahlung so polarisiert, dass sie ein wirbelförmiges Muster aufweist, was man als B-Moden bezeichnet.

          Allerdings mussten die Forscher um Kovac, um die Signaturen der Hintergrundstrahlung erkennen zu können, alle störenden Mikrowellen-Quellen herausfiltern, damit die  kosmischen Hintergrundstrahlung zugänglich wurde. Ein mühevolles Procedere, das viele Unwägbarkeiten birgt und sorgsame statistische Analysen verlangt. 

          Illustration des Weltraumteleskops Planck der Esa: Missionsbeginn: Mai 2009, Missionsende: Herbst 2013

          Von einer inflationären Phase, in der sich das Universum innerhalb der ersten Sekundenbruchteilen kräftig aufgebläht hat, bis es etwa die Größe einer Pampelmuse erreicht hat, sind zwar die meisten Astrophysiker überzeugt, es fehlte bislang aber an einem schlagkräftigen Beweis.„Sollten sich die Ergebnisse durch unabhängige Experimente bestätigt lassen,  wären die Messungen  ein Beleg dafür,  dass  das frühe Universum eine inflationäre Phase durchlaufen hat“, sagt Bernhard Schutz vom Max-Planck Institut für Gravitationsphysik in Potsdam.  Wir hätten dann ein viel besseres Bild vom frühen Universum und könnten eine Reihe recht spekulativer Theorien ausschließen.“

          Der  frühen Kosmos gewinnt an Konturen

          Man nimmt heute an, dass der Urknall eine Flut von Gravitationswellen – sie kann man sich als winzige Verzerrungen der Raumzeit vorstellen – ausgelöst  hat, die noch immer das Universum ausfüllen und Informationen über die turbulente Zeit unmittelbar nach dem Urknall mit sich tragen. Die Wissenschaftler  können aus den jetzt gewonnenen Daten zahlreiche bislang nicht zugängliche Informationen entnehmen, etwa wie stark und wie schnell sich das frühe Universum ausgedehnt hat oder  wie lange die inflationäre Phase angedauert. Alles Gesichtspunkte müssen mit den Erkenntnissen der Teilchenphysik in Einklang gebracht werden. Davon werden insbesondere jene Theoretiker profitieren, die die Quantentheorie und die Gravitationstheorie unter einen Hut bringen wollen. “Es ist eine spannende Zeit“, schwärmt Bernhard Schutz.

          Gravitationswellen breiten sich im All aus

          Schon seit Jahren sucht man nach diesen markanten Strukturen in der kosmischen Hintergrundstrahlung – zuletzt mit dem Weltraumteleskop Planck der europäischen Weltraumagentur Esa. Allerdings mit geringem Erfolg. Das könnte sich noch dieses Jahr ändern, wenn man die restlichen Daten der Planck-Mission ausgewertet hat. „Ein  solch starkes Signal, wie es das Bicep-Teleskop gemessen hat, sollte auch in den Daten von Planck auftreten“, ist Schutz überzeugt.

          Die Ergebnisse, die in zwei Artikeln publiziert wurden,  sind aus einem weiteren Grund bemerkenswert. Denn es wurden damit die äußerst schwer zu erfassenden Gravitationswellen nachgewiesen, die noch dazu jene, die der Urknall  ausgelöst hat. Dabei handelt es sich um winzige Verzerrungen der Raumzeit (Albert Einstein hatte sie einst in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt), die sich wellenartig - vergleichbar mit  Wasserwellen in einem Teich - im Raum mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Sie entstehen überall dort, wo massive Objekte beschleunigt oder abgebremst  werden, also bei der Kollision von Galaxien oder Schwarzen Löcher, bei Sternexplosionen oder Ereignissen wie dem Urknall.

          Winzige Verzerrungen der Raumzeit

          Die Frequenzen der Raumschwingungen liegen im Allgemeinen im Bereich von Schallwellen oder in einem noch deutlich langwelligeren Bereich, wie im Fall der primordialen Gravitationswellen. Ihre Amplituden sind aber derart winzig, dass selbst Einstein zweifelte, ob diese Wellen jemals nachgewiesen werden könnten. Ein typisches Gravitationswellenereignis – zwei verschmelzende schwarze Löcher zum Beispiel – würde Schätzungen zu Folge die Strecke zwischen der Sonne und dem nächsten, etwa 4,3 Jahre entfernten Stern Alpha Centauri um gerade Mal 50 Mikrometer komprimieren. Zum Vergleich: Ein Haar ist knapp 100 Mikrometer breit.

          Dennoch hat man immer wieder versucht, Gravitationswellen aufzuspüren. Erstmals Ende der fünfziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts durch Joseph Weber. Der amerikanische Astrophysiker baute tonnenschwere Aluminiumzylinder, die durch Gravitationswellen zu Vibrationen angeregt werden sollten, ähnlich wie ein Hammerschlag eine Glocke zum Schwingen bringt. Doch waren die Geräte nicht empfindlich genug. Ende der achtziger Jahre erhielt die Gravitationswellen-Forschung einen Aufschwung. Die Astrophysiker und späteren Nobelpreisträger Russell A. Hulse und Joseph Taylor hatten die Bewegung des Doppelsternsystems PSR 1913+16 viele Jahre lang studiert. Sie fanden heraus, dass die beiden Neutronensterne Energie verlieren, was sich durch die Aussendung von Gravitationswellen erklären lässt.

          Seit einigen Jahren betreibt man auf der Erde gewaltige Laserinterferometer mit Armlängen von mehreren Kilometern, die nach dem Prinzip des von Michelson und Morley um 1880 entwickelten Gerätes  funktionieren und noch die kleinsten Längenänderungen äußerst präzise messen können, so dass sie Gravitationswellen direkt nachweisen könnten.

          Panoramablick auf das Gravitationswellen-Interferometer Geo 600 in Hannover

          Allerdings blieben bislang alle Versuche mit  bodengestützen Interferometern Geo600 in  Hannover, Virgo in Italien und Ligo in Amerika Gravitationswellen direkt nachzuweisen  erfolglos, obwohl sie mittlerweile die nötige Empfindlichkeit dafür besitzen. „Es ist unwahrscheinlich, dass wir mit den bodengestützten Geräten die Gravitationswellen des Urknalls direkt messen werden“, sagt Schutz Kollege Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam. Dazu sind ihre Wellenlängen zu groß. „Wir konzentrieren uns auf den Nachweis von  Gravitationswellen, die von der Kollision Schwarze Löchern, schnell rotierenden Neutronensternen  oder Doppelsternsystemen erzeugt werden“, erklärt Danzmann. Große Hoffnung setzt man auf  das  noch empfindlichere weltraumgestützte Interferometer - eLisa -, das von zwei Satelliten aufrecht erhalten werden soll.

          Nicht desto trotz, gratulieren die Potsdamer Gravitationsforscher, den Kollegen in Amerika für ihre Entdeckung. Denn sie zeigt, welche Bedeutung der Nachweis von Gravitationswellen für die Astronomie und Astrophysik hat.

          Einsteins Gravitationswellen  ermöglichen den Blick in kosmische Prozesse, die  herkömmliche Teleskopen nicht erfassen können.

          Stimmen von Wissenschaftlern

          “Dieses Signal zu entdecken, ist eines der wichtigsten Ziele der heutigen Kosmologie.“  John Kovac, der Leiter des BICEP2-Projekts

          „Es war wie die Suche nach der Nadel im Heuhaufen. An deren Stelle haben wir aber eine Brechstange gefunden.“ Clem Pryke von der Minnesota University

          „Die Forschungsergebnisse werfen ein neues Licht auf einige der grundlegendsten Fragen, nämlich: Warum wir existieren und wann das Universum begann.“ Avi Loeb von der Harvard University

          „Herzlichen Glückwunsch Bicep! Die Beobachtungen sind großartige Neuigkeit. Sie müssen allerdings von anderen Experimenten bestätigt werden“, Karsten Danzmann, MPI für Gravitationsphysik in Potsdam

          „Das Ergebnis der Bicep-Forscher sind ein völlig neuer und unabhängiger Hinweis für die Vorstellung eines inflationären Universums. Die Messungen sind definitiv einen Nobelpreis wert“, Alan Guth vom MIT in Cambridge(Massachusetts) auf dem Nachrichtenportal der Zeitschrift „Nature“. Guth gilt als Vater der Idee eines inflationären Universums.

          „Die Details müssen zwar noch aus den Daten herausgearbeitet werden, aber alles was ich weiß, ist das höchstwahrscheinlich genau das, auf was wir alle gewartet haben“, John Carlstrom, Astronom von der University of Chicago.

          „Solch eine Entdeckungen erfolgt nur alle zehn Jahre“, Marc Kamionkowski, Kosmologe von der John Hopkins University in Baltimore (Maryland).

          „Das ist die erste experimentelle Hinweis auf die Existenz der Quantengravitation“, Max Tegmark, Kosmologe am MIT.

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