Als sich der Weltraum schneller als das Licht ausdehnte

Künstlerische Illustration der kosmischen Inflation überscienceblogs.com

Von seiner Umlaufbahn aus 1,5 Millionen Kilometer über der Erde hat der Satellit Planck mehr als vier Jahre damit verbracht, den kosmischen Mikrowellenhintergrund aufzuspüren – ein Fossil aus dem Urknall, das jeden Teil des Himmels ausfüllt und einen Einblick in das Aussehen des Universums bietet in den Kinderschuhen. Plancks Beobachtungen dieser Reliktstrahlung geben Aufschluss über alles, von der Entwicklung des Universums bis zur Natur der Dunklen Materie. Anfang Februar 2015 veröffentlichte Planck neue Karten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, diedie Theorie der kosmischen Inflation, die Idee, dass sich der Weltraum in den Momenten nach dem Urknall schneller als Lichtgeschwindigkeit ausdehnte und von kleiner als ein Proton zu einer Größe anwuchs, die sich jeder Vorstellung entzieht. Kelen Tuttle von der Kavli Foundation sprach kürzlich mit Dr. George Efstathiou, Direktor des Kavli Institute for Cosmology an der University of Cambridge und einer der Leiter der Planck-Mission, um die neuesten Ergebnisse von Planck und ihre Auswirkungen auf die Inflationstheorie zu verstehen. Eine bearbeitete Abschrift dieses Interviews finden Sie unten.

Darüber hinaus bietet Kavli aLive-Webcast am 18. Februar 2015mit Efstathiou und zwei weiteren prominenten Wissenschaftlern zum Thema kosmische Inflation. Kosmologie lieben? Senden Sie eine Frage für den kommenden Webcast an info@kavlifoundation.org oder verwenden Sie auf Twitter den Hashtag#KavliLive.

George Efstathiou

DIE KAVLI-STIFTUNG:Im Jahr 2013 und jetzt in diesem Jahr lieferte Planck sehr starke experimentelle Beweise für die Theorie, dass das Universum in seinen allerersten Momenten eine unglaublich schnelle Expansion durchlief. Können Sie die neuesten Erkenntnisse erläutern und warum sie wichtig sind?

GEORGE EFSTATHIOU:Inflation – die Theorie, dass sich das frühe Universum in seinen ersten Momenten unglaublich schnell ausdehnte – macht eine Reihe allgemeiner Vorhersagen. Zum Beispiel sollte die Geometrie des Universums sehr flach sein, und dies sollte sich in Fluktuationen widerspiegeln, die wir im kosmischen Mikrowellen-Hintergrundlicht sehen. Mit den ersten Planck-Daten, die wir 2013 veröffentlicht haben, haben wir einige Aspekte dieses Modells mit ziemlich hoher Präzision überprüft, indem wir die Temperatur des kosmischen Mikrowellenhintergrunds am Himmel untersucht haben. Mit der Version 2015 haben wir die Präzision dieser Temperaturmessungen verbessert und auch genaue Messungen eines verdrehten Musters im kosmischen Mikrowellenhintergrund, genannt Polarisation, hinzugefügt. Diese Polarisationsmessungen sind wirklich wichtig, um uns zu sagen, wie die Struktur des Weltraums im frühen Universum aussah.

Sie sehen, es gibt mehrere Möglichkeiten. In einigen Modellen, die durch höherdimensionale Theorien wie der Stringtheorie motiviert sind, können beispielsweise im frühen Universum „kosmische Strings“ erzeugt werden, die eine andere Art von Fluktuationsmuster erzeugen würden. Wir sehen keine Beweise für kosmische Strings oder andere Arten von kosmischen Defekten. Was wir festgestellt haben, ist, dass alles – mit sehr hoher Präzision – mit einfachen inflationären Modellen übereinstimmt. So können wir zum Beispiel jetzt sagen, dass das Universum mit einer Genauigkeit von etwa einem halben Prozent räumlich flach ist. Das ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem, was wir vor Planck wussten.

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Das Weltraumteleskop Planck der Europäischen Weltraumorganisation ESA wurde 2009 gestartet. Während seiner vierjährigen Mission beobachtete es Variationen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds am gesamten Himmel. Die erste All-Sky-Karte wurde im März 2013 veröffentlicht und die zweite, detailliertere Karte wurde im Februar 2015 veröffentlicht. Zu den Erfolgen der Mission gehört die Feststellung, dass das Universum etwas älter ist als gedacht; Kartierung der subtilen Temperatur- und Polarisationsschwankungen des frühen Universums, die schließlich zu der Struktur führten, die wir heute sehen; und bestätigt, dass 26 Prozent des Universums aus dunkler Materie bestehen. Bild über ESA

TKF:Sie haben die Theorie der kosmischen Inflation als Karikatur einer Theorie bezeichnet. Was wolltest du damit sagen?

ERFÜLLT:Wir verstehen noch nicht die grundlegende Physik, die die Inflation vorangetrieben hat, und wir verstehen sicherlich nicht die Details, wie sie funktioniert hat. Das einfachste Inflationsmodell erfordert, dass das frühe Universum ein sogenanntes Skalarfeld enthielt. Dieses Feld durchdringt den gesamten Raum und ist dafür verantwortlich, dass sich der Raum schneller als Lichtgeschwindigkeit ausdehnt. Und wie alle Quantenfelder enthält es Quantenfluktuationen. Es sind diese winzigen Quantenfluktuationen, die, nachdem sie während der Inflation gedehnt wurden, die Struktur erzeugten, die wir heute im gesamten Universum sehen – alle Galaxien, Sterne und Planeten. Das ist ein einfaches Inflationsmodell.
Was ist das nun genau für ein Feld? Wir wissen es nicht. Es gibt viele Theorien da draußen, aber in Wirklichkeit sind das alles nur Vermutungen. Deshalb habe ich es eine Karikatur einer Theorie genannt – weil wir nicht verstehen, wie Inflation im Wesentlichen funktioniert. Was wir brauchen, sind bessere experimentelle Daten, die uns sagen, wie das frühe Universum aussah, und dies wird uns hoffentlich zu einer grundlegenden Inflationstheorie führen.

TKF:Bedeutet das, dass die nächsten Schritte experimentell und nicht theoretisch sind?

ERFÜLLT:Das ist eine sehr interessante Frage. Meiner Meinung nach erfordert echter Fortschritt Experimente, denn das sehr frühe Universum umfasst Energieskalen, die so viel höher sind als alles, was wir in Laborexperimenten hier auf der Erde testen konnten. Wenn Sie einen so großen Sprung machen, wissen Sie nicht wirklich, wie die Dinge aussehen. Das lässt viele, viele Möglichkeiten offen. Die von der Stringtheorie vorhergesagten zusätzlichen Dimensionen sind uns beispielsweise verborgen – wir erleben sie also nicht. Sie müssen sehr klein und irgendwie „kompaktiert“ sein – aber wie, wissen wir nicht. Aus theoretischer Sicht gibt es derzeit einfach zu viele Möglichkeiten. Auch in der Kosmologie sprechen wir von hochdynamischen Situationen. Alles ändert sich sehr schnell und das ist auch theoretisch schwer zu analysieren. Es besteht immer die Möglichkeit, dass einige enorme neue theoretische Erkenntnisse die Optionen eingrenzen.

Aber ich denke, wir müssen Experimente machen – wenn wir können – die die Optionen experimentell eingrenzen. Wenn wir Gravitationswellen entdecken würden, bei denen es sich um Wellen in der Krümmung der Raumzeit handelt, würde diese Messung die Optionen stark einschränken. Es würde uns die Energieskala der Inflation verraten. Darüber hinaus würde jedes nachweisbare Niveau von Gravitationswellen eine empirische Verbindung zur Quantengravitation herstellen. Die Quantengravitation, die die Schwerkraft mit den Prinzipien der Quantenmechanik in Einklang bringen würde, ist ein sehr wichtiges experimentelles Ziel, das mit hochpräzisen Experimenten erreicht werden kann. Ich denke, das wäre die wahrscheinlichste experimentelle Entwicklung, die tatsächlich mit der Physik auf den sehr hohen Energieskalen des frühen Universums in Kontakt treten könnte.

Diese Karte, aufgenommen vom Planck-Weltraumteleskop der ESA, zeigt die Milchstraße. Gas erscheint in Gelb, Strahlung in Blau und Grün und verschiedene Staubarten sind in Rot dargestellt. Bild über ESA/NASA/JPL-Caltech

TKF:Eine der am meisten veröffentlichten neuen Enthüllungen von Planck ist der Beweis, dass die ersten Sterne im Universum etwa 550 Millionen Jahre nach dem Urknall zu leuchten begannen – was bedeutet, dass sie um etwa 100 Millionen Jahre jünger sind als bisher angenommen. Wie konnten wir das so falsch verstehen?

ERFÜLLT:Wissen Sie, ich möchte das nicht unbedingt als große wissenschaftliche Leistung von Planck bezeichnen – aber es ist interessant. Um zu erklären, warum, muss ich Ihnen ein wenig Hintergrund geben. Am Ende der Inflation wissen wir, dass das Universum sehr, sehr heiß wurde. Seitdem das Universum expandierte, kühlte es sich ab. Und als das Universum 400.000 Jahre alt war, war die Temperatur niedrig genug, dass sich Elektronen und Protonen zu neutralem Wasserstoff verbinden konnten. Zu dieser Zeit war das Universum also neutral und ziemlich einheitlich.

Wir können Quasare sehen – sehr helle kompakte Regionen in den Zentren entfernter Galaxien – die existierten, als das Universum etwa 840 Millionen Jahre alt war. Das ist wirklich sehr jung im Vergleich zu seinen 13,8 Milliarden Jahren heute. Wenn das Universum damals mit neutralem Wasserstoff gefüllt gewesen wäre, hätte dieser Wasserstoff kurzwelliges Quasarlicht absorbiert und wir könnten es heute in unseren Messungen nicht sehen. Da wir also dieses Licht dieser Quasare sehen können, wissen wir, dass das Universum, als es 840 Millionen Jahre alt war, nicht mehr neutral war. Irgendwann zwischen dem 400 000 Jahre alten Universum und dem 840 Millionen Jahre alten Universum muss Energie in das Gas injiziert worden sein, um dies zu ändern. Die Frage ist also, woher kommt diese Energie?

Nun, es muss sein, dass sich Sterne gebildet haben und begonnen haben, Energie freizusetzen. Wenn wir uns nun die tiefsten Bilder des Hubble-Weltraumteleskops ansehen, können wir einige dieser sehr frühen Sterne sehen. Aber von den Sternen, die wir sehen, wäre es nicht möglich, genug Energie freizusetzen, um den Wasserstoff zu ionisieren, als das Universum 420 Millionen Jahre alt war – wie frühere Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds mit der Wilkinson Microwave Anisotrophy Probe nahegelegt haben – oder WMAP – Satellit. Jetzt sagen wir mit den Planck-Messungen, dass es etwas später passiert ist, bei 560 Millionen Jahren. Dieser Unterschied von etwa 140 Millionen Jahren mag nicht viel klingen, aber er bringt jetzt alle unsere Beobachtungen in Einklang.

Dies ist eine sehr, sehr schwierige Messung – es ist ein sehr kleines Signal, das sich hinter vielen Kontaminationen unserer eigenen Milchstraße verbirgt. Sie müssen das echte Signal aus all diesem Rauschen herausgraben. Mit Planck konnten wir diese Messung erstmals mit den Planck-Daten auf zwei verschiedene Arten durchführen. Warum es mir als echtes Highlight von Planck nicht so gut gefällt ist, dass an den bisherigen Messungen absolut nichts auszusetzen ist. Die WMAP-Beobachtungen sind vollkommen in Ordnung, aber wenn Sie ihre Karten nehmen und die Kontamination durch die Milchstraße korrigieren, erhalten Sie die gleichen Antworten wie die Planck-Ergebnisse. So ist am Ende alles stimmig.

Das hier im Vordergrund gezeigte Experiment Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2 (BICEP2) untersucht den kosmischen Mikrowellenhintergrund vom Südpol, wo kalte, trockene Luft klare Himmelsbeobachtungen ermöglicht. Im März 2014 gab das BICEP2-Team bekannt, dass es Hinweise auf Gravitationswellen gesehen hatte, die scheinbar „rauchende Pistolen“ für Inflationsraten lieferten. Obwohl eine gemeinsame Analyse von Planck und BICEP2 seitdem gezeigt hat, dass Staub in der Milchstraße das von Gravitationswellen erwartete Signal nachgeahmt hat, könnten zukünftige Experimente diese lang gesuchten Wellen noch entdecken. Das Projekt wurde mit 2,3 Millionen US-Dollar von der W. M. Keck Foundation sowie von der National Science Foundation, der Gordon and Betty Moore Foundation, der James and Nelly Kilroy Foundation und der Barzan Foundation finanziert.
Bild von Steffen Richter, Harvard University

TKF:Die Planck-Ergebnisse helfen uns auch, die dunkle Materie zu verstehen, die mysteriöse Substanz, die 20 Prozent des Universums ausmacht, aber noch gut verstanden werden muss. Was genau haben wir von Planck über Dunkle Materie gelernt?

ERFÜLLT:Was wissen wir? Tatsächlich sind wir noch weit davon entfernt, die Dunkle Materie zu verstehen. Der führende Kandidat ist ein Teilchentyp, der vorhergesagt wird vonSupersymmetrie. Diese Theorie sagt für jedes uns bereits bekannte Teilchen ein Partnerteilchen voraus. Aber wenn diese Theorie wahr ist, sollten supersymmetrische Teilchen bei Kollisionen am Large Hadron Collider auftreten. Bisher haben sie das nicht. Dunkle Materie ist also noch unbekannt.

Planck hat kein Signal für dunkle Materie entdeckt. Supersymmetrie sagt voraus, dass Teilchen der Dunklen Materie gelegentlich mit anderen Teilchen der Dunklen Materie wechselwirken und einen Energieblitz erzeugen – ein Prozess, der als Annihilation bezeichnet wird. Aber wir sehen es nicht. Das ist wirklich nicht verwunderlich. Es ist leicht zu verstecken. Das ist also etwas, das zukünftige kosmische Mikrowellen-Hintergrundexperimente möglicherweise sehen können. Aber wir haben keine Anzeichen für die Vernichtung der Dunklen Materie von Planck gesehen.

Wir haben uns auch Neutrinos sehr genau angesehen – winzige, allgegenwärtige Teilchen, von denen wir wissen, dass sie in drei Arten vorkommen. Soweit ich das beurteilen kann, gibt es keine anderen Arten von Neutrinos, die einen Teil der Dunklen Materie erklären könnten. Auch versucht man immer noch, die Masse dieser drei Neutrinos zu bestimmen. Wir kennen aus anderen Experimenten die geringste Masse, die diese drei Teilchen haben könnten. Planck hat jetzt eine Grenze für die größte Masse festgelegt, die sie möglicherweise haben könnten. Wir grenzen die Optionen ein und werden hoffentlich bald ihre genaue Masse erfahren. Neutrinos gehören zu den mysteriösesten Teilchen im Universum, daher wäre dies ein wichtiger Schritt zu ihrem Verständnis.
Einige Theoretiker haben auch vorgeschlagen, dass dunkle Materie und dunkle Energie in irgendeiner Weise interagieren könnten. Soweit wir das beurteilen können, ist dunkle Energie völlig konstant – es gibt also keine Hinweise darauf, dass sie mit dunkler Materie interagiert.

TKF:Wir wären nachlässig, wenn wir nicht ein bisschen mehr über Gravitationswellen sprechen würden. Im vergangenen März gab ein anderes Experimentalteam namens BICEP2 bekannt, dass es bei seinen Beobachtungen des sehr frühen Universums Hinweise auf Gravitationswellen gesehen hat. Dann, erst vor wenigen Wochen, ergab eine gemeinsame Analyse dieser Daten, die von Mitgliedern von Planck und BICEP2 durchgeführt wurde, dass nicht identifizierte Gase und Staub die Daten verunreinigt hatten und Gravitationswellen unentdeckt blieben. Was bedeutet das für zukünftige Hoffnungen auf die Entdeckung von Gravitationswellen?

ERFÜLLT:Als das BICEP2-Team sein Ergebnis bekanntgab, war ich wirklich schockiert. Das Signal, das sie entdeckten, war wirklich groß. Wir hatten bereits eine Analyse basierend auf den Planck-2013-Daten durchgeführt und eine Grenze für die Signalstärke festgelegt. Und die Messungen von BICEP2 waren ungefähr doppelt so groß. Wenn BICEP2 also wirklich Gravitationswellen entdeckt hätte, müsste eine wirklich seltsame und unerwartete Physik am Werk sein, damit wir so unterschiedliche Ergebnisse erhalten.

Die BICEP2-Gruppe weiß, was sie tut – diese Jungs sind so gut wie jede andere Gruppe auf der Welt. Und sie arbeiten seit 7 oder 8 Jahren an verschiedenen Versionen dieses Experiments. Von der experimentellen Seite sind die Daten also schön. Sie haben eindeutig etwas entdeckt.

Dieses Etwas könnte Gravitationswellen gewesen sein, oder es könnte Staub sein, der ihre Daten durcheinander brachte. Das BICEP2-Experiment betrachtet ein sehr kleines Sichtfeld, und Plancks Signal-Rausch-Verhältnis ist nicht sehr groß. Also haben wir eine Zusammenarbeit vereinbart. Im Wesentlichen haben wir das Signal-Rausch-Verhältnis bei Staub verbessert, indem wir ihre Karten mit unseren kreuzkorrelierten. Das zeigte, dass wir bisher noch keine statistisch signifikanten Hinweise auf Gravitationswellen haben. Damit ist der Konflikt mit den ursprünglichen Planck-Ergebnissen gelöst. Und im Großen und Ganzen ist das auch gut so. Es bedarf keiner wirklich seltsamen Physik, um die beiden Experimente in Einklang zu bringen.
Jetzt sind wir also in einer Situation, in der wir eine Grenze für die Größe eines Gravitationswellensignals haben, und diese Zahl stimmt mit den Planck-Ergebnissen überein. Es schließt Gravitationswellen keineswegs aus. Wenn Sie sich die gemeinsame Analyse ansehen, sehen Sie, dass dort viel Platz für Gravitationswellen ist, knapp unter dem Niveau, das wir durch die Kombination der BICEP2- und Planck-Daten festgelegt haben. Wenn das stimmt, sollte es nicht lange dauern, es auszugraben. Es könnte also eine sehr wichtige Entwicklung kommen.