Beweise für die Universum-Inflationstheorie können in neuen Daten lauern

Zuerst gab es nichts - völlige Leere. Null Energie und null Materie.

Und dann wurde aus diesem Nichts das Universum geboren. Klein, aber extrem dicht und voller Energie. Und dann, in einem winzigen Bruchteil einer Sekunde, wuchs es in der Größe - überhöht - um mindestens einen Faktor von 10 zur 25. Macht an.

Diese Theorie, bekannt als Inflation, ist derzeit die dominierende Erklärung für das, was nach dem Urknall passiert ist und wie das Universum so geworden ist, wie es heute ist. Aber obwohl viele Wissenschaftler jetzt glauben, dass tatsächlich Inflation stattgefunden hat, wissen sie immer noch nicht, wie oder warum sie begann oder wie sie aufhörte. Und für diese beschleunigte Expansion gibt es bislang keine soliden experimentellen Belege. [8 Verblüffende Astronomie-Geheimnisse]

Wissenschaftler hoffen, dass sie in wenigen Monaten beginnen werden, das Rätsel zu lösen, wenn sie die nächsten Daten des Planck-Satelliten untersuchen. Seit 2009 kartiert dieses von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) betriebene Radioteleskop das älteste Licht des Universums.

Bekannt als der kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB), wird dieses fossile Licht oft als Nachglühen des Urknalls bezeichnet. Es wird angenommen, dass es nach der Inflationszeit entstanden ist, etwa 380.000 Jahre nach der Geburt des Universums, als sich neutrale Atome bildeten und der Raum für Licht durchlässig wurde.

Als im März 2013 die ersten Planck-Daten veröffentlicht wurden, fühlten sich sowohl "Inflationsgegner" als auch "Anti-Inflationsgegner" bestätigt.

Befürworter der Theorie sagten, die Planck-Ergebnisse deuteten perfekt darauf hin, wie die Inflation funktioniert haben könnte. Kritiker argumentierten jedoch, dass die Inflationsmodelle einfach an die Daten angepasst wurden, ohne sie wirklich zu erklären.

Alle Planck-Daten legen nahe, dass das Universum "bemerkenswert einfach" ist, sagte die Astrophysikerin Anna Ijjas von der Harvard University. Die gleichen Daten unterstützen jedoch nur Inflationsmodelle, die sehr kompliziert sind und, so sagte sie, "nur für viel eingeschränktere Ausgangsbedingungen arbeiten".

Kleine Ursache, großer Effekt?

Wissenschaftler hoffen, dass die nächsten Planck-Daten zeigen könnten, ob Inflation eine plausible Erklärung für die Form des heutigen Universums ist. Und Befürworter der Inflationstheorie des Universums sagen, dass es beweisen könnte, dass die Samen des heutigen Universums in der Quantenphysik gefunden werden können.

Wissenschaftler wissen bereits, sowohl aus Planck als auch aus früheren Beobachtungen, dass das CMB winzige Dichtefluktuationen aufweist, die dann in den nächsten 13,7 Milliarden Jahren, als sich das Universum ausdehnte, gewaltig wurden. [Vom Urknall zum Heute in 10 einfachen Schritten]

Diese klassischen Dichtefluktuationen entstanden wahrscheinlich in winzigen, spontanen Quantenfluktuationen in der Raumzeitmetrik unmittelbar nach dem Urknall, sagte der theoretische Physiker Daniel Baumann von der Universität Cambridge. "Wir glauben, dass die Inflation diese kleinen Quantenfluktuationen auf die klassischen Dichtefluktuationen im heutigen Universum ausdehnte."

Da diese klassischen Schwankungen direkt nach der Inflation auftraten, waren sie bereits vorhanden, als das CMB geschaffen wurde. Und diese Dichtefluktuationen wurden zum Keim von Sternen und Galaxien.

Synchron

Die im CMB gefundenen Oszillationen liefern einen weiteren Hinweis auf die Inflation. Als das CMB zu "glühen" begann, waren die Quantenfluktuationen bereits zu klassischen Dichtewellen geworden.

Die ersten Ergebnisse der Planck-Raumfahrzeuge bestätigten nicht nur diese Fluktuationen, sondern zeigten auch, dass sie über große Entfernungen korreliert sind: Alle Wellen mit der gleichen Wellenlänge scheinen synchron zu schwingen.

"Diese Kohärenz erklärt sich in der Inflation ganz natürlich", sagte Baumann. "Das ist die bemerkenswerteste Beobachtung, die wir gemacht haben. Es ist sehr verlockend."

Eines der erstaunlichsten Ergebnisse aller CMB-Messungen war jedoch die Gleichförmigkeit der Temperatur des fossilen Lichts, die um weniger als 0,0003 Grad Celsius schwankt. Es gibt nur zwei Möglichkeiten, wie das Universum solch einheitliche Temperaturen erreichen könnte, sagte Baumann.

In einem nicht-inflationären Modell müsste es zwischen verschiedenen Teilen des Universums Temperaturunterschiede geben, die dann im Laufe der Zeit ausgeglichen werden würden, so wie verschiedene Objekte in einem Haus "Raumtemperatur" erreichen.

Das Universum ist jedoch zu jung, um das Gleichgewicht über so große Regionen des Weltraums zu erklären. Oder anders gesagt: Das Universum ist größer als die maximale Entfernung (genannt Horizont), an der sich Licht oder Störungen im Urplasma des Urknalls gegenseitig beeinflussen könnten. In einem scheinbaren Paradoxon haben entfernte Teile des Universums also die gleiche Temperatur und Dichte, obwohl sie sich nicht "berühren" können. [Geschichte und Struktur des Universums (Infografik-Galerie)]

Die Inflation, sagt Baumann, bietet eine bessere Lösung: Alle Materie hatte zunächst die gleiche Temperatur und wurde dann plötzlich schneller auseinander gerissen. So gibt es jetzt winzige Temperaturunterschiede zwischen Objekten, weil sie alle an derselben Stelle und mit derselben Temperatur begonnen haben.

"Es ist, als würde man zwei Tassen Kaffee [sehr weit voneinander entfernt] mit genau der gleichen Temperatur finden", sagte Baumann. "Wenn sie nie nahe genug waren, um Wärme auszutauschen, gibt es keinen Grund dafür, dass sie dieselbe Temperatur haben."

In Analogie zur Inflationstheorie würden beide Tassen "von derselben Kaffeemaschine zur gleichen Zeit produziert, und die Inflation nimmt dann die Kaffeetassen und trennt sie schneller als die Lichtgeschwindigkeit."

Gravitationswellen

Das extrem schwache Licht des CMB zu studieren war durchweg schwierig, aber auch voller wissenschaftlicher Versprechen.Das liegt daran, dass die Quantenfluktuationen am Anfang des Universums auch Gravitationswellen, schwer fassbare und bisher von Einstein vorhergesagte theoretische Wellen in der Raumzeit ausgelöst haben sollten.

Wenn sie gefunden werden und den Schwankungen des CMB entsprechen würden, könnten sie die Inflation extrem stark unterstützen. "Das Sehen von Gravitationswellen wäre eine rauchende Waffe" für das Inflationsmodell, sagte Baumann.

Der Beweis ist komplex, hängt aber von feinen Variationen der Polarisation der Lichtwellen vom CMB ab. Es gibt zwei Arten von Polarisationsvariationen, die als E-Mode und B-Mode bezeichnet werden. Letztere beschreiben die Rotation oder Verdrehung der Polarisation, und es ist diese Variation, von der die Physiker hoffnungsvolle Beweise für die Inflation erwarten.

Laut Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie würde das CMB aufgrund der enormen Energien, die bei der Ausdehnung der Raumzeit während der Inflation auftreten, B-Mode-Polarisation zeigen, sagte Ijjas.

Wenn das Licht des CMB tatsächlich so verdreht wird, würde die Inflation eine ausgezeichnete Erklärung liefern, denn "ein solcher hochenergetischer Mechanismus würde die Raumzeit dramatisch erschüttern, so dass wir seine Stärke durch Messung der Amplitude der Gravitationswellen bestimmen könnten produziert ", sagte Ijjas.

Baumann sagt, dass Gravitationswellen sogar Wissenschaftler, die an Alternativen zur Inflation arbeiten, davon überzeugen könnten, das Modell zu akzeptieren.

"Die B-Modi zu sehen, würde uns viel Vertrauen geben, dass die Inflation passiert ist und dass wir alle aus Quantenfluktuationen kommen."

Ijjas stimmte zu. "Die Haupttendenz war bisher, komplizierte Inflationsmodelle mit vielen Parametern zu entwerfen, die mit den Planck-Daten übereinstimmen", sagte sie. "Das Erkennen oder Nicht-Detektieren des Gravitationswellensignals ist ein Schlüssel-Test, der den Fall für die Inflation entweder verbessern oder schädigen kann."