Ein Blick auf die erste geteilte Sekunde des Universums fördert die Inflationstheorie

Wenn Sie sich vorstellen, dass der Urknall Ihren Kopf schmerzt, könnte er nach einem Moment explodieren. Kosmologen glauben, dass das gerade geborene Universum - eine heiße, dichte Suppe aus Materie und Energie - eine Expansionswelle durchgemacht hat, die schneller war als die Lichtgeschwindigkeit. Wie ein magischer Ballon verdoppelte der Kosmos seine Größe in einer Zeitspanne von 10 bis 32 Sekunden um das 60-fache. Diese als Inflation bekannte Phase endete, lange bevor das Universum noch eine Sekunde alt war.

Jetzt, 13, 7 Milliarden Jahre später, haben Kosmologen festgestellt, dass das, was sie sagen, der erste direkte Beweis für diese Inflation ist - eine der größten Entdeckungen auf diesem Gebiet seit 20 Jahren. Durch die Untersuchung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) - der Reststrahlung des Urknalls - haben sie Spuren von Gravitationswellen entdeckt - Schwankungen im Gefüge von Raum und Zeit -, die das Universum in dieser infinitesimal kurzen Epoche nach seiner Geburt durchzogen. Der Abdruck dieser Gravitationswellen auf dem CMB entspricht den Vorhersagen der Theoretiker über Jahrzehnte. Die Ergebnisse, die heute Morgen bei einer wissenschaftlichen Präsentation im Harvard-Smithsonian-Zentrum für Astrophysik in Cambridge, Massachusetts, bekannt gegeben wurden, zeigen auch, dass die Schwerkraft - im kleinsten Maßstab - den Regeln der Quantenmechanik folgt, ähnlich wie bei anderen Kräften wie dem Elektromagnetismus.

"Dies ist ein erstaunliches Ergebnis", sagt Alan Guth, Kosmologe am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge und einer der ursprünglichen Befürworter der Inflation. Guth - der heute nicht an der Hervorhebung der Arbeiten beteiligt war - sagte, die Forscher hätten ihm vor einer Woche einen Entwurf eines Papiers gezeigt, nachdem sie ihn zur Geheimhaltung verpflichtet hatten. „Die Beobachtungen haben einen sehr hohen Stellenwert“, sagt er. Andrei Linde, Kosmologe an der kalifornischen Stanford University, der eines der theoretisch erfolgreichsten Inflationsmodelle entwickelt hat, ist sich einig: „Wenn diese Ergebnisse stimmen, hat die Inflationstheorie ihren schwierigsten Test aller Zeiten bestanden.“

Die Entdeckung stammt aus Beobachtungen eines kleinen, aber hoch entwickelten Teleskops am Südpol, das einem Projekt gewidmet ist, das als Hintergrundbild der kosmischen extragalaktischen Polarisation (BICEP) bekannt ist. Genau wie sichtbares Licht und andere Arten elektromagnetischer Strahlung können die elektrischen und magnetischen Felder einer kosmischen Mikrowelle entlang einer unendlichen Anzahl von Orientierungen oszillieren. Das von den BICEP-Forschern verwendete Teleskop dient dazu, die Ausrichtung oder Polarisation der CMB abzubilden, da sie in verschiedenen Teilen des Himmels variiert. In Daten, die zwischen Januar 2010 und Dezember 2012 von einem kleinen Fleckchen Himmel stammen, fanden die Forscher ein zufälliges Muster von schwachen Windrädern im CMB. Solche Wirbel, B-Modi genannt, sind das Markenzeichen der Gravitationswellen im Uruniversum und - wie viele Kosmologen sagen - die rauchende Kanone für die Inflation.

"Wir glauben, dass Gravitationswellen der einzige Weg sein könnten, dieses B-Mode-Muster einzuführen", sagt John Kovac, Kosmologe in Harvard und einer der vier Hauptforscher von BICEP.

Nach dem Standardmodell der Kosmologie enthielt das Universum, als es entstand, ein Quantenfeld, das einem elektrischen Feld ähnelte, das von Quantenfluktuationen durchzogen war. Die Inflation vergrößerte diese infinitesimalen Fluktuationen auf eine enorme Größe und brachte Unterschiede in Dichte, Energie und Materie hervor, die letztendlich zu der kosmischen Struktur führten, die wir heute mit Galaxien und anderen Merkmalen sehen. Die Fluktuationen erzeugten auch Temperaturschwankungen des CMB über dem Himmel, aus denen Kosmologen den Inhalt des Universums in Form von gewöhnlicher Materie, mysteriöser dunkler Materie, deren Schwerkraft die Galaxien bindet, und seltsamer, den Raum ausdehnender dunkler Energie bestimmt haben.

Dank der Quantenmechanik schwankte jedoch nicht nur das im Urknall erzeugte Quantenfeld, sondern auch die Raumzeit. Die Inflation dehnte diese Raumzeit, die in Gravitationswellen mit einer Wellenlänge von Milliarden von Lichtjahren jitterte. Die Wellen hinterließen ihren eigenen Abdruck auf dem CMB und streuten CMB-Photonen auf eine Weise, die das von Kovac und seinen Kollegen beobachtete Polarisationsmuster erzeugte.

BICEP hat eine Reihe weiterer Experimente durchgeführt, darunter das Planck-Raumfahrzeug der Europäischen Weltraumorganisation. Suzanne Staggs, eine Kosmologin an der Princeton University, die an der Atacama B-Mode-Suche in Chile arbeitet, ist schockiert, als sie die Nachrichten hörte. "Je mehr ich darüber nachdenke, desto aufgeregter bin ich, weil das Signal so groß ist", sagt sie.

Laut Kovac beruhte der Erfolg des Experiments zu einem großen Teil auf Fortschritten in der Technologie zur Messung der CMB-Polarisation. Die Detektoren für das Teleskop, mit denen die Beobachtungen gemacht wurden, wurden von der gleichen Gruppe hergestellt, die Jamie Bock vom California Institute of Technology für die Entwicklung von Detektoren für Planck beauftragt hatte. Während Planck im Jahr 2007 auf den Markt gebracht wurde, „konnten wir jedes Jahr zu unserem Teleskop fahren und die Detektoren aufrüsten“, sagt Kovac. Außerdem überblickte Planck den gesamten Himmel, während sich das BICEP-Teleskop auf eine kleine Region konzentrierte. "Wir warten jetzt gespannt auf Plancks Polarisationsergebnisse", sagt Kovac.

Die Entdeckung der B-Modi ist laut Forschern erst der Anfang. Die Stärke des Stromsignals gibt Auskunft über die Energiedichte während des Aufblasens. Indem sie die statistische Verteilung größerer und kleinerer Wirbel am Himmel untersuchen, können sie möglicherweise ein detailliertes Bild der Energie- und Dichteverteilung im Uruniversum zusammenstellen. Das würde helfen, ein genaues Modell der Inflation aufzustellen.

"Für uns ist es riesig, so groß wie es nur geht", sagt Marc Kamionkowski, Kosmologe an der Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland, über die Ergebnisse. »Es ist nicht jeden Tag so, dass Sie aufwachen und herausfinden, was eine Billionstel Billionstel Billionstel Sekunde nach dem Urknall passiert ist.«