Kosmologen suchen nach Gravitationswellen, um die Inflationstheorie zu beweisen

Während des nächsten Jahrzehnts werden Kosmologen versuchen, die ersten Momente des Universums zu beobachten, in der Hoffnung, eine populäre Theorie zu beweisen. Sie werden nach extrem schwachen Gravitationswellen suchen, um das ursprüngliche Licht zu messen, und nach überzeugenden Beweisen für die kosmische Inflationstheorie suchen, die besagt, dass eine zufällige, mikroskopische Dichteschwankung im Raum- und Zeitgefüge das Universum in einem heißen Big hervorgebracht hat Knall vor etwa 13,7 Milliarden Jahren. Ein neues Instrument namens Polarimeter wird an das Südpol-Teleskop (SPT) angeschlossen, das bei Wellenlängen im Submillimeterbereich zwischen Mikrowellen und Infrarot im elektromagnetischen Spektrum arbeitet. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass die kosmische Inflation die schwachen Gravitationswellen erzeugen sollte.

Die Inflationstheorie schlägt eine Periode extrem schneller und exponentieller Expansion des Universums in den ersten Augenblicken vor der allmählicheren Urknall-Expansion vor. Während dieser Zeit wurde die Energiedichte des Universums von einer kosmologischen Vakuumenergie vom konstanten Typ dominiert, die später auftrat verfallen, um die Materie und Strahlung zu produzieren, die das Space Magazine füllen.

1979 schlug der Physiker Alan Guth die kosmische Inflationstheorie vor, die auch die Existenz einer unendlichen Anzahl von Universen vorhersagt. Leider haben Kosmologen keine Möglichkeit, diese bestimmte Vorhersage zu testen.

„Da es sich um separate Universen handelt, bedeutet dies per Definition, dass wir niemals Kontakt mit ihnen haben können. Nichts, was dort passiert, hat Auswirkungen auf uns “, sagte Scott Dodelson, Wissenschaftler am Fermi National Accelerator Laboratory und Professor für Astronomie und Astrophysik an der Universität von Chicago.

Es gibt jedoch eine Möglichkeit, die Gültigkeit der kosmischen Inflation zu untersuchen. Das Phänomen hätte zwei Klassen von Störungen erzeugt. Zum einen treten Schwankungen in der Dichte subatomarer Teilchen im gesamten Universum kontinuierlich auf, und Wissenschaftler haben sie bereits beobachtet.

"Normalerweise finden sie nur auf atomarer Ebene statt. Wir bemerken sie nicht einmal “, sagte Dodelson. Aber die Inflation würde diese Störungen augenblicklich in kosmische Ausmaße ausdehnen. „Das Bild funktioniert tatsächlich. Wir können berechnen, wie diese Störungen aussehen sollten, und es stellt sich heraus, dass sie genau richtig sind, um die Galaxien zu produzieren, die wir im Universum sehen. “

Die zweite Klasse von Störungen wären Gravitationswellen – Einsteinsche Verzerrungen in Raum und Zeit. Gravitationswellen würden auch zu kosmischen Ausmaßen befördert, vielleicht sogar stark genug, damit Kosmologen sie mit empfindlichen Teleskopen erfassen können, die auf die richtige Frequenz elektromagnetischer Strahlung abgestimmt sind.

Wenn das neue Polarimeter empfindlich genug ist, sollten Wissenschaftler in der Lage sein, die Wellen zu erfassen.

"Wenn Sie Gravitationswellen entdecken, sagt dies viel über die Inflation in unserem Universum aus", sagte John Carlstrom von der University of Chicago, der das neue Instrument entwickelte. Carlstrom sagte, das Erkennen der Wellen würde verschiedene konkurrierende Ideen für den Ursprung des Universums ausschließen. "Es gibt weniger als früher, aber sie sagen nicht voraus, dass Sie zunächst einen so extremen, heißen Urknall haben, diese Quantenfluktuation", sagte er. Sie würden auch keine Gravitationswellen in nachweisbaren Mengen erzeugen.

Eine Simulation unter diesem Link zeigt die räumlichen und zeitlichen Verzerrungen auf subatomarer Ebene, die das Ergebnis von Quantenfluktuationen sind, die kontinuierlich im gesamten Universum auftreten. Gegen Ende der Simulation beginnt die kosmische Inflation, die Raumzeit auf die kosmischen Proportionen des Universums auszudehnen.

Kosmologen verwenden die SPT auch, um das Geheimnis der dunklen Energie zu lösen. Eine abstoßende Kraft, dunkle Energie, drückt das Universum auseinander und überwältigt die Schwerkraft, die Anziehungskraft, die von aller Materie ausgeübt wird.
Dunkle Energie ist unsichtbar, aber Astronomen können ihren Einfluss auf Galaxienhaufen sehen, die sich in den letzten Milliarden Jahren gebildet haben.

Das SPT erfasst die Strahlung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB), das Nachleuchten des Urknalls. Kosmologen haben ein Vermögen an Daten aus dem CMB gewonnen, die die kraftvollen Trommeln und Hörner der kosmischen Symphonie darstellen. Aber jetzt hat die wissenschaftliche Gemeinschaft die Ohren gespannt auf die Töne eines subtileren Instruments – Gravitationswellen -, die dem CMB zugrunde liegen.

"Wir haben diese Schlüsselkomponenten in unserem Bild des Universums, aber wir wissen wirklich nicht, welche Physik sie erzeugt", sagte Dodelson über Inflation, dunkle Energie und die ebenso mysteriöse dunkle Materie. "Das Ziel des nächsten Jahrzehnts ist es, die Physik zu identifizieren."

Quelle: Universität von Chicago

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