Die Geschichte des Universums. In einer unfassbar kurzen Phase von 10 hoch -35 Sekunden nach dem Urknall dehnte sich das Universum exponentiell aus. Aus dieser Zeit stammen die Gravitationswellen, deren Spuren die Forscher nachweisen konnten. Bild: Bicepkeck.org

Entdeckung der Gravitationswellen stärkt Urknall-Theorie

Vom Südpol aus suchten Wissenschaftler drei Jahre lang mit einem Teleskop die kosmische Hintergrundstrahlung ab. Dabei gelang ihnen der Nachweis von Gravitationswellen. Warum diese Entdeckung eine wissenschaftliche Sensation ist und ein wichtiger Baustein in der Urknall-Theorie, erläutert Astrophysiker Marek Kowalski

Professor Kowalski, Astrophysiker vom Harvard-Smithsionian Center for Astrophysics haben Gravitationswellen entdeckt. Welche Erkenntnis über die Entstehung des Universums können diese Gravitationswellen liefern?

Die Urknalltheorie hat mehrere Facetten, die noch nicht alle restlos geklärt sind. Die heutige Verteilung der Galaxien und die kosmische Hintergrundstrahlung sind ja beides Folgen des Urknalls und müssen mit der Urknalltheorie in Einklang stehen. Außerdem müssen kurz nach dem Urknall ganz besondere Bedingungen geherrscht haben. Diese Frühphase bezeichnet man auch als "Inflation".

Was passierte in dieser Phase?

In der Phase der Inflation dehnte sich das frühe Universum exponentiell aus, und zwar innerhalb von 10 hoch -35 Sekunden (Null Komma 34 Nullstellen eine Sekunde) nach dem Urknall - einem unfassbar kurzem Zeitraum. Der Ausdehnungsprozess hat sich danach verlangsamt, hält aber noch immer an. Das ist seit 30 Jahren ein Baustein der Urknalltheorie. Seit 30 Jahren heißt es: Wenn man diese Phase nachweisen könnte, würde das die Urknalltheorie perfekt untermauern. Für die Ausdehnung in der Inflationsphase ist das sogenannte Inflation-Feld verantwortlich, welches kleinen quantenmechanischen Fluktuationen unterlag.

Welchen Effekt haben diese Fluktuationen?

Sie bewirken, dass sich das Universum an manchen Stellen mehr ausdehnt als an anderen. Zum Ende der Inflation geht die Energie des Inflations-Feldes in Materie und Strahlung über, mitsamt den Dichtefluktuationen. Aus denen bilden sich nach langer Zeit Galaxien und andere Strukturen im Kosmos, die wir heute um uns herum sehen. Eine wichtige Vorhersage der Inflationsphase ist die Entstehung von Gravitationswellen - als Konsequenz der Quantennatur des frühen Universums. Sie konnten aber bisher nicht nachgewiesen werden. Das ist nun gelungen.

Wie kann man sich diesen Nachweis vorstellen? Man schaut so lange mit Teleskopen ins All, bis man unbekannte Wellen findet?

Nicht mit optischen Teleskopen, sondern mit Mikrowellenteleskopen. Man sieht damit auch sehr kalte Himmelsobjekte und insbesondere die kosmische Hintergrundstrahlung. Deren Beobachtung wurde schon mehrfach durch Nobelpreise ausgezeichnet.

Was genau ist diese Hintergrundstrahlung?

Ein Überbleibsel der Ursuppe. Sie müssen sich das so vorstellen: Das frühe Universum besteht aus einem extrem dichten und heißen Plasma, jegliche Lichtteilchen werden sofort wieder absorbiert, nichts dringt heraus aus der Teilchensuppe, in der sich noch nicht einmal Atome gebildet haben. Dann dehnt sich das alles aus, die Temperatur fällt und irgendwann wird diese Suppe transparent, das Licht kann frei entweichen. Von diesem Moment an fliegt es frei durch den Kosmos - das ist die kosmische Hintergrundstrahlung, sie lässt sich mit Teleskopen nachweisen. Dass es sie gibt, ist seit den 1970er-Jahren bekannt. Nun versuchen wir, besser zu verstehen, was wir in diesem weiterverarbeiteten Abbild des frühen Universums sehen.

Und was sehen Sie dort?

Ein Anregungsmuster in der Intensität der kosmischen Hintergrundstrahlung, verursacht durch die Gravitationswellen. Genauer: Es wurde ein spiralförmiges Muster im polarisierten Teil des Lichts nachgewiesen. Wir sehen die Wellen also nur indirekt.

Ist das nun ein Blick direkt in den Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren?

Beinahe. Es ist ein Blick in die Zeit, als die Ursuppe transparent wurde, das war 380.000 Jahre nach dem Big Bang. Aber damit sind Sie natürlich immer noch im Bereich von 13,8 Milliarden Jahren... Allerdings sind die Gravitationswellen, die das Muster am Himmel verursachen, tatsächlich nur einen Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall entstanden.

Wie ordnen Sie persönlich dieses Forschungsergebnis ein?

Es gehört zu den Entdeckungen, auf die man manchmal sehr lange warten muss. Auch wenn man kaum an der Existenz der Gravitationswellen gezweifelt hat: Die Deutlichkeit des Ergebnisses ist auf jeden Fall eine Überraschung und hat den Charakter einer ganz großen Entdeckung.

In einer Reihe mit dem Higgs-Teilchen?

Es läuft ihm zumindest nicht viel hinterher. Das Higgs-Teilchen spielt eine Schlüsselrolle im Standardmodell der Teilchenphysik, das hat noch eine etwas andere Qualität. Das Standardmodell der Kosmologie ist dagegen noch nicht so weit. Dass nun zum ersten Mal Gravitationswellen gesehen wurden und damit ein Blick auf die Phase der Inflation möglich wurde, ist auf jeden Fall etwas Phänomenales.

Welche Folgen hat die Entdeckung für die weitere Forschung?

Das ist schwer vorherzusagen. Aber es könnte sein, dass wir nun den Anfang des Kosmos viel besser untersuchen können. Und damit Fragen beantworten wie: "Was ist der Ursprung der Galaxien und Sterne, also der ganzen Strukturen rundherum?" Hoffentlich bekommen wir durch die Messungen auch neue Einsichten zu einer Theorie der Quantengravitation. Die Vorstellung dessen, was möglich werden könnte, ist absolut berauschend.

Marek Kowalski ist Professor für Astroteilchenphysik und Kosmologie an der Universität Bonn. Ab Mai wechselt der 39-Jährige an das Deutsche-Elektronen-Synchrotron (DESY) in Zeuthen, wo er schon von 2000-2003 als Postdoc gearbeitet hat. Seine Forschungsschwerpunkte sind Neutrinoastronomie und Kosmologie mit Supernovae. Der gebürtige Bonner hat in Hamburg und Berlin studiert und ist Vater von vier Kindern. 

Valerie Jamieson vom New Scientist erklärt die Entstehung von Gravitationswellen anschaulich mit Handtuch, Apfel und Tischtennisball:

25.03.2014 , Thomas Röbke

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