Im vergangenen Monat kündigten Astrophysiker eine revolutionäre Entdeckung an: Es wurden überzeugende Beweise für die Existenz von Gravitationswellen gefunden, und die Quelle dieser Wellen könnte die Inflationsperiode unmittelbar nach dem Urknall sein.
Vielleicht ist dies ein überzeugender Beweis, aber kann es eine andere Erklärung geben?
In einem Dokument, das letzte Woche in vorläufigen Veröffentlichungen von ArXiv vorgestellt wurde, haben drei theoretische Physiker die Ergebnisse des Projekts Cosmic Extragalactic Polarization 2 (BICEP2) beiseite geschoben, was darauf hindeutet, dass es eine andere Quelle für Gravitationswellen gibt.
Lassen Sie uns zuerst ein wenig zurückgehen. Was ist Inflation und wie wurden Gravitationswellen zum Beweis für ihr Auftreten?
Grafische Darstellung der Singularität des Universums.
Kurz gesagt, als das BICEP2-Projekt Polarisationswelligkeiten im kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) entdeckte, entsprach das Signal theoretischen Vorhersagen darüber, wie Gravitationswellen aussehen sollten. Gravitationswellen (deren Existenz Einstein während der Entwicklung ihrer allgemeinen Relativitätstheorie vor fast 100 Jahren vermutete) waren bisher jedoch nur sehr schwer zu entdecken. Auf den ersten Blick sind die Ergebnisse der BICEP2-Forschung also historisch. Diese Beobachtungen von Gravitationswellen werden von keinem Wissenschaftler bestritten. Aber wie haben diese Gravitationswellen den kosmischen Mikrowellenhintergrund letztendlich unauslöschlich geprägt? Dies ist der Streitpunkt.
Die kosmische Mikrowellenschicht existiert überall im Rahmen unserer Beobachtungsmöglichkeiten. Betrachtet man es als das „Echo“ des Urknalls, das vor fast 14 Milliarden Jahren auftrat, können wir sehr geringe Temperaturschwankungen (sogenannte Anisotropien) analysieren, um eine Vorstellung von der Struktur des Universums unmittelbar nach dem Urknall zu bekommen.
Kosmologen glauben, dass, damit das Universum in seiner gegenwärtigen Größe existiert, der Urknall zuerst auftrat und dann eine Periode intensiver Beschleunigung stattfand. Schneller als die Lichtgeschwindigkeit erfolgte die Expansion in einer Milliardstel-Milliardstel-Milliardstel-Millionstel-Sekunde nach dem Urknall.
Entwicklungsstadien des Universums. Klicken Sie auf das Bild, um es zu vergrößern
Für das moderne Verständnis des Universums wird es fair sein, dass es eine Inflation geben sollte.
Wie das BICEP2-Projektteam erklärt, geht die in der kosmischen Mikrowellenschicht eingeschlossene Gravitationswelle davon aus, dass die Gravitationswellen selbst inflationären Ursprungs sind. Gravitationswellen, die die energiereichsten Ereignisse im Universum erzeugen, angefangen von Schwarzen Löchern bis hin zur Explosion von Sternen, breiten sich in Raum-Zeit mit Lichtgeschwindigkeit aus. Forscher der Inflationstheorie glauben auch, dass primäre Gravitationswellen während des intensivsten Ereignisses erzeugt werden können, das wir niemals sehen werden: Inflation. Und die Ergebnisse des BICEP2-Projekts zeigen zweifellos das Vorhandensein überzeugender Beweise für den inflationären und quantitativen Ursprung dieser Wellen.
Die theoretischen Physiker James B. Dent (Universität von Louisiana, Lafayette), Lawrence M. Krauss (Universität von Arizona, Tempe) und Harsh Mathur (Universität Case Western Reserve, Cleveland, Ohio ) glauben, dass die BICEP2-Forscher möglicherweise eine alternative Quelle dieser Wellen verpasst haben.
"Trotz der Tatsache, dass das Inflationssignal die plausibelste Quelle (eines Gravitationswellensignals) bleibt, lässt die aktuelle Messung leider immer noch die Möglichkeit zu, dass Hintergrundgravitationswellen als Ergebnis des selbstgeordneten skalaren Hintergrundübergangs auftreten, der etwas später auftrat." Physik schrieb.
Was bedeutet das?
Lambda-CBR-Universumskarte (vom Urknall bis zu unserer Zeit).
Nach dem Urknall sah das Universum aus wie ein chaotisches Durcheinander von Energie. Sobald es abkühlte, begann diese Energie langsam zu kondensieren (wie Regentropfen, die aus Dampf in den Wolken gebildet wurden) und schuf die grundlegenden Partikel und Kräfte, die wir in unserer modernen Zeit kennen und lieben. Jedes Teilchen und jede Kraft trat nach jedem nachfolgenden "Phasenübergang" auf. Diese Phasenänderungen waren jedoch nicht gleich und fanden nicht gleichzeitig im gesamten Universum statt. Phasenänderungen traten in lokalisierten Taschen auf. Aber an dem kritischen Punkt, an dem das Universum ausreichend abgekühlt ist, haben sich diese Taschen vermutlich auf einmal ausgeglichen.
Obwohl diese kritische Phasenänderung im gesamten Universum weniger Energie hatte als die Inflationsperiode zuvor, schlugen James B. Dent und sein Team vor, dass dieses Ereignis eine Welligkeit erzeugte, die Gravitationswellen erzeugte, die BICEP2 jetzt in der kosmischen Mikrowellenschicht beobachtet.
Wie in ArXiv angemerkt, diskutieren Theoretiker nicht, ob Inflation war oder nicht, sie versuchen, andere Quellen von Gravitationswellen zu bestimmen.
Wenn es darum geht, die Geheimnisse zu Beginn des Kosmos zu lösen, kann man nicht eine Theorie wählen, die nur einen Mechanismus „beweist“. Obwohl Forscher am BICEP2 starke Hinweise darauf gefunden haben, dass Gravitationswellen einen inflationären Ursprung haben, zeigt diese neue Arbeit, dass theoretische Physiker weit davon entfernt sind, einen Konsens zu finden.
