Landmark Discovery: Neue Ergebnisse liefern direkte Belege für die kosmische Inflation

Astronomen haben Nobelpreis-würdige Beweise für ursprüngliche Gravitationswellen – Wellen im Gefüge der Raumzeit – angekündigt, die den ersten direkten Beweis dafür liefern, dass das Universum unmittelbar nach dem Urknall eine kurze, aber erstaunlich beschleunigte Expansion erfahren hat.

"Die Auswirkungen auf diese Erkennung erschüttern den Verstand", sagte Co-Leader Jamie Bock von Caltech. "Wir messen ein Signal, das aus dem Beginn der Zeit kommt."

BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) scannt den Himmel vom Südpol aus und sucht nach einem subtilen Effekt im kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) – der Strahlung, die 380.000 Jahre nach dem Urknall freigesetzt wird, wenn das Universum so weit abgekühlt ist, dass sich Photonen fortbewegen können frei über den Kosmos.

Der CMB füllt jeden Kubikzentimeter des beobachtbaren Universums mit ungefähr 400 Mikrowellenphotonen. Das sogenannte Nachleuchten des Urknalls ist in alle Richtungen nahezu gleichmäßig, aber kleine Restschwankungen (auf dem Niveau von eins zu 100.000) der Temperatur zeigen ein spezifisches Muster. Diese Unregelmäßigkeiten entsprechen dem, was zu erwarten wäre, wenn winzige Quantenschwankungen auf die Größe des beobachtbaren Space Magazine gestiegen wären.

So haben sich Astronomen die Inflationstheorie ausgedacht – die Epoche unmittelbar nach dem Urknall (10)-34 Sekunden später), als sich das Universum exponentiell ausdehnte (um mindestens den Faktor 10)25) – Quantenschwankungen auf kosmische Größe vergrößern. Die Inflation erklärt nicht nur, warum das Universum auf so massiven Skalen so glatt ist, sondern auch, warum es flach ist, wenn es unendlich viele andere mögliche Krümmungen gibt.

Während Inflation eine Säule der Urknallkosmologie ist, ist sie ein rein theoretischer Rahmen geblieben. Viele Astronomen kaufen es nicht, da wir nicht erklären können, welcher physikalische Mechanismus eine solch massive Expansion ausgelöst hätte, geschweige denn es zu stoppen. Die heute bekannt gegebenen Ergebnisse sprechen stark für die Inflation.

Im Detail: Wir haben die Inflation entdeckt! Was jetzt?

Der Trick besteht darin, die CMB zu betrachten, in der die Signatur der Inflation als unglaublich schwache Muster polarisierten Lichts eingeprägt ist – einige der Lichtwellen haben eine bevorzugte Schwingungsebene. Wenn eine Gravitationswelle durch das Gewebe der Raumzeit geht, drückt sie die Raumzeit in eine Richtung (wodurch sie heißer wird) und streckt sie in eine andere Richtung (wodurch sie kühler wird). Die Inflation verstärkt dann diese Quantenfluktuationen zu einem nachweisbaren Signal: Die heißeren und daher energiereicheren Photonen sind im CMB sichtbar und hinterlassen einen leichten Polarisationsabdruck.

Dieser Effekt erzeugt zwei unterschiedliche Muster: E-Modi und B-Modi, die danach unterschieden werden, ob sie gerade oder ungerade Parität haben oder nicht. Einfacher ausgedrückt: E-Mode-Muster sehen in einem Spiegel gleich aus, B-Mode-Muster hingegen nicht.

E-Modi wurden bereits umfassend erkannt und untersucht. Während beide das Ergebnis primordialer Gravitationswellen sind, können E-Moden durch mehrere Mechanismen erzeugt werden, während B-Moden nur über primordiale Gravitationswellen erzeugt werden können. Letzteres zu erkennen, ist eine saubere Diagnose – oder wie Astronomen sagen: „Beweise für rauchende Waffen“ – der Inflation, die die Gravitationswellen im frühen Universum verstärkte.

„Das wirbelnde B-Mode-Muster ist aufgrund seiner Händigkeit eine einzigartige Signatur von Gravitationswellen. Dies ist das erste direkte Bild von Gravitationswellen über dem Urhimmel “, sagte Co-Leiter Chao-Lin Kuo von der Stanford University, Designer des BICEP2-Detektors.

Das Team analysierte mehr als drei Jahre lang Himmelsabschnitte von einem bis fünf Grad (zwei- bis zehnmal so groß wie der Vollmond). Sie haben eine einzigartige Anordnung von 512 Detektoren geschaffen, die zusammen mit frostigen 0,25 Kelvin arbeiten. Diese neue Technologie ermöglichte es ihnen, Erkennungen zehnmal schneller als zuvor durchzuführen.

Die Ergebnisse sind mit einer 5,9-Sigma-Erkennung überraschend robust. Zum Vergleich: Als Teilchenphysiker im Juli 2012 die Entdeckung des Higgs-Bosons ankündigten, mussten sie mindestens ein 5-Sigma-Ergebnis oder ein Konfidenzniveau von 99,9999 Prozent erreichen. Auf dieser Ebene beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass das Ergebnis aufgrund zufälliger statistischer Schwankungen fehlerhaft ist, nur eins zu einer Million. Das sind ziemlich gute Chancen.

Während das Team darauf geachtet hat, Fehler auszuschließen, ist es für ein anderes Team von entscheidender Bedeutung, diese Ergebnisse zu überprüfen. Das Planck-Raumschiff, das exquisite Messungen des CMB durchgeführt hat, wird später in diesem Jahr seine eigenen Ergebnisse melden. Mindestens ein Dutzend andere Teams haben ebenfalls nach dieser Signatur gesucht.

„Diese Arbeit bietet neue Einblicke in einige unserer grundlegendsten Fragen: Warum existieren wir? Wie hat das Universum angefangen? " kommentierte der Harvard-Theoretiker Avi Loeb. "Diese Ergebnisse sind nicht nur eine rauchende Waffe für die Inflation, sie sagen uns auch, wann die Inflation stattgefunden hat und wie stark der Prozess war."

Die Inflation erklärt nicht nur erfolgreich den Ursprung der kosmischen Struktur – wie sich das kosmische Netz aus den glatten Folgen des Urknalls gebildet hat -, sondern macht auch wildere Vorhersagen. Das Modell scheint nicht nur ein Universum zu produzieren, sondern ein Ensemble von Universen, auch bekannt als Multiversum. Diese Sammlung von Universen hat kein Ende und keinen Anfang und taucht ewig auf.

Die heutigen Ergebnisse sprechen für eine „ewige Inflation“, die eine neue Perspektive auf unseren trostlosen Platz im Kosmos eröffnet. Wir leben nicht nur auf einem kleinen Planeten, der einen Stern aus Hunderten von Milliarden umkreist, in einer Galaxie aus Hunderten von Milliarden, sondern unser gesamtes Universum kann nur eine Blase aus einem riesigen kosmischen Ozean anderer sein.

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