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Die Inflation nach dem großen Knall

Astrophysiker fanden in der Hintergrundstrahlung Spuren aus den ersten Sekunden des Alls

  • Von Steffen Schmidt
  • Lesedauer: 4 Min.

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Der Anfang unseres Weltalls liegt buchstäblich im Dunklen. Denn erst als sich die nach dem Urknall entstandene Ursuppe aus hochenergetischen Protonen, Elektronen und Photonen so weit ausgedehnt und abgekühlt hatte, dass stabile Atome entstehen konnten, wurde das frühe Universum gleichsam durchsichtig. Das geschah etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall. Das wichtigste messbare Relikt des Urknalls stammt aus dieser Zeit vor fast 14 Milliarden Jahren: die kosmische Hintergrundstrahlung. Die wurde vor ziemlich genau 50 Jahren zufällig entdeckt, als die US-Physiker Arno Penzias und Robert Woodrow Wilson eine neue besonders empfindliche Antenne testeten und ihnen dabei ein störendes Rauschen auffiel.

Mit dem Spezialteleskop BICEP2 in der Antarktis haben Astrophysiker von mehreren US-Forschungseinrichtungen jetzt innerhalb der Hintergrundstrahlung ein weiteres Echo des Urknalls identifiziert. Ihre Datenanalyse zeigt Spuren der Gravitationswellen des Urknalls und bestätigt so eine bislang eher theoretische Annahme zum Ablauf der ersten Zeit nach dem Urknall. Die 1981 erstmals vorgeschlagene Idee einer kosmologischen Inflation, also einer Phase beschleunigter Ausdehnung des jungen Universums, wird nach Aussage des BICEP2-Forscherteams durch bestimmte Muster in der Hintergrundstrahlung bestätigt. Die zeigen nämlich Bereiche unterschiedlicher Polarisation. Als Polarisation bezeichnet man in der Physik die Bevorzugung einer bestimmten Schwingungsrichtung einer Welle. Genutzt wird der Effekt beispielsweise beim sichtbaren Licht für die verbreiteten Polfilterbrillen im 3D-Kino.

Die Polarisierung kommt durch bestimmte Eigenschaften des Mediums zustande, das die Welle durchquert. Je nach Reflexion oder Streuung an Materiestrukturen wird die Welle polarisiert. Von früheren Messungen der Polarisation des Mikrowellenhintergrunds war bereits bekannt, dass es wirbelartige Polarisationsmuster gibt. Diese sind im späteren Universum durch den Gravitationslinseneffekt entstanden, der den Polarisationsmustern des Mikrowellenhintergrundes durch Verzerrung eine leichte Wirbelstruktur aufgeprägt hat. »Die nun neu gefundenen Polarisationswirbel auf größeren Winkelskalen sind deswegen so aufregend, weil sie durch Gravitationswellen aus den ersten Sekundenbruchteilen des Universums erzeugt worden sein sollten« erklärt Torsten Enßlin vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching.

Gravitationswellen verzerren den Raum. Sie ziehen den Raum abwechselnd in die Länge und stauchen ihn wieder zusammen. »Im frühen Universum war der Raum gefüllt mit Licht und Elektronen. Die haben das Licht so gestreut, dass es praktisch gleichmäßig in alle Richtungen strahlte. Doch sobald eine Gravitationswelle kommt, wird der Raum und mit ihm die Verteilung des Lichtes verzerrt«, sagt Enßlin. Die Elektronen werden nun ungleichmäßig aus verschiedenen Richtungen ausgeleuchtet. »Das gestreute Licht wird dabei polarisiert und aufgrund der räumlichen Eigenschaften der Gravitationswellen bekommt diese Polarisation ein Wirbelmuster«, ergänzt der Astrophysiker. »Wenn das genau zu dem Zeitpunkt passiert, an dem das Universum durchsichtig wird, fliegt das Licht einfach weiter und behält seine Polarisation.«

Gravitationswellen hatte bereits Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Danach sendet jeder beschleunigte Körper solche Wellen aus. Je größer Masse und Beschleunigung des Körpers sind, desto stärker sind die Gravitationswellen. Einstein hielt die Wellen für zu schwach, um sie messen zu können. Und tatsächlich wurden sie bisher nur indirekt nachgewiesen. Wenn extrem schwere Körper, zum Beispiel Neutronensterne, eng umeinander kreisen, dann sollten sie nach der Allgemeinen Relativitätstheorie Gravitationswellen abstrahlen und dadurch Energie verlieren. 1974 wurde bei dem Doppelpulsar PSR 1913+16, beobachtet, dass die beiden Sterne sich einander so annähern, dass der berechnete Energieverlust mit den Vorhersagen der Relativitätstheorie gut übereinstimmt. Die beiden US-Astronomen Russell Hulse und Joseph Taylor erhielten für diese Entdeckung 1993 den Nobelpreis für Physik. Die BICEP2-Ergebnisse wären ein weiterer indirekter Beleg für Gravitationswellen.

Ein direkter Nachweis von Gravitationswellen gelang hingegen bisher noch nirgends. Die existierenden Detektoren in den USA, Deutschland und Italien nutzen ein optisches Messverfahren. Dabei werden zwei Laserstrahlen nach einem längeren Weg überlagert (Interferenz). Eintreffende Gravitationswellen sollten den Weg des Lichts verbiegen, sodass es zu abweichenden Interferenzmustern käme. Doch obwohl diese Interferometer ebenso wie ein anders aufgebauter niederländischer Detektor bereits Schwankungen wahrnehmen könnten, die kleiner als ein Atomdurchmesser sind, fand keiner davon bisher eine Spur irgendwelcher Gravitationswellen.

Die erste Bestätigung der BICEP2-Messungen könnte einem Satelliten zu danken sein. Das europäische Weltraumteleskop »Planck« wurde zwar im Oktober 2013 stillgelegt, doch die Datenauswertung ist noch nicht abgeschlossen, wie Enßlin, der die deutsche Beteiligung an der Mission leitet, gegenüber »nd« sagt. Das »Planck«-Teleskop hatte, anders als BICEP2, den gesamten Himmel um die Erde beobachtet. Allerdings ist das Teleskop am Südpol empfindlicher, da es mehr Detektoren als »Planck« besitzt. Enßlin ist trotzdem optimistisch, dass auch das Weltraumteleskop empfindlich genug ist, um die Spuren der Erschütterung des Urknalls zu testen.

Bei der Messung der Polarisation gibt es laut Enßlin deutlich mehr Fehlerquellen als bei bloßen Intensitätsmessungen. Denn da müsse man die Differenz von zwei Größen messen. Schon wenn sich die Einstellung eines der Detektoren leicht verändert, könne es wie Polarisation aussehen, obwohl keine da ist. Zumal störende Effekte, etwa die des Staubs und von relativistischen Elektronen in unserer Milchstraße, berücksichtigt werden mussten. Auf den ersten Blick jedenfalls seien die Ergebnisse aus der Antarktis sehr ermutigend, meint Enßlin.

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