Astronomen haben bekannt gegeben (siehe "Kosmische Inflation belegt?"), dass sie Spuren von so genannten Gravitationswellen gemessen haben, die kurz nach dem Urknall auftraten – also kurz nach der Entstehung unseres Universums vor 13,8 Milliarden Jahren. Die Entdeckung gilt bereits jetzt als Meilenstein der Forschung, ist aber natürlich nicht leicht nachzuvollziehen.

Gravitationswellen
© NASA / Dana Berry, SkyWorks Digital
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Doch hier naht Hilfe: "Nature" und "Spektrum.de" haben einige häufige Fragen und ihre Antworten über Gravitationswellen und die ominöse "Inflation" nach dem Urknall zusammengetragen.

Was macht die BICEP2-Veröffentlichung so bedeutend?

Zwar werden Wissenschaftler noch Jahre damit beschäftigt sein, die Messergebnisse auszuwerten und sich über deren Folgen für unsere Vorstellung vom Beginn des Universums klar zu werden. Doch bereits jetzt schon lassen sich einige Schlussfolgerungen ziehen.

  • Albert Einstein sagte vor nahezu 100 Jahren die Existenz der Gravitationswellen voraus. Er glaubte allerdings nicht daran, dass sie jemals nachgewiesen werden könnten, denn laut seinen Berechnungen waren die Wellen viel zu schwach dafür. Die Ergebnisse des BICEP2-Experiments sind nun der bislang überzeugendste Beleg, wenn nicht gar Beweis, dass es die Wellen tatsächlich gibt.
  • Die meisten Physiker, die sich mit Kosmologie beschäftigen, favorisieren derzeit eine bestimmte Vorstellung über den Beginn des Universums, in der die so genannte Inflation einen zentralen Eckpfeiler bildet. Die Gravitationswellen bestätigen dieses Bild.
  • Während der Inflation – der dramatischen Ausdehnung des jungen Universums – traten Temperaturen (und damit Teilchenenergien) auf, die um das Billionenfache höher lagen als alles, was Forscher zurzeit im Labor erzeugen können – nicht einmal am LHC in Genf.
  • Die Inflation ist ein Quantenphänomen. Gravitationswellen gehören hingegen zur klassischen Physik, schlagen damit aber gleichzeitig eine Brücke zwischen beiden Sphären. Sie liefern womöglich damit den ersten Beleg dafür, dass die Schwerkraft ebenfalls eine Quantennatur hat, genau wie die anderen Grundkräfte.

Was sind Gravitationswellen?

Laut Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist die Gravitation eine Verformung des Raums – ein massereicher Körper sorgt dafür, dass sich die Umgebung verbiegt. Diese Krümmung muss jedoch keineswegs immer in der Nähe des Körpers bleiben. Wie Einstein erkannte, kann sie das gesamte Universum durchlaufen, ganz ähnlich wie Erdbebenwellen durch die Erdkruste.

Signal des Urknalls?
© BICEP2 Collaboration: Detection of B-mode Polarization at Degree Angular Scales. In: arXiv 1403.3985, 2014, fig. 3
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Anders als seismische Wellen können sich die Gravitationswellen jedoch auch im leeren Raum fortpflanzen – und zwar mit Lichtgeschwindigkeit.

Könnte man eine solche Welle betrachten, die frontal auf einen zuläuft, würde man bemerken, wie sie den Raum abwechselnd staucht und dehnt – sowohl in der Senkrechten als auch in der Horizontalen.

Kann nur Inflation Gravitationswellen auslösen?

Nein. Nach allgemeiner Auffassung verursacht jedes massereiche Objekt Gravitationswellen, wenn es stark genug beschleunigt wird. Messbar dürften allerdings nur diejenigen sein, die auf Ereignisse von wahrhaft kosmischem Ausmaß zurückgehen. Etwa wenn zwei Schwarze Löcher kollidieren und miteinander verschmelzen.

Es existieren derzeit eine Reihe von Forschungseinrichtungen weltweit, die es sich zur Aufgabe gemacht haben, mit riesigen Detektoren das unvorstellbar schwache Wispern von solchen Kollisionen in Form von Gravitationswellen aufzufangen.

Warum suchten die BICEP2-Forscher mit einem Radioteleskop nach den Wellen?

Die Gravitationswellen, die während der Inflation entstanden, laufen immer noch durch das Universum. Allerdings sind sie zu schwach, um sie mit heutigen Methoden nachzuweisen. Stattdessen haben die Wissenschaftler nach dem Abdruck gesucht, den die Wellen in der "Suppe" aus Elementarteilchen hinterlassen haben, die 380 000 Jahre nach dem Urknall das Universum erfüllte.

BICEP2-Gebäude
© Steffen Richter, Harvard University
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Sie zeigt sich heute als so genannte kosmische Hintergrundstrahlung – ein schwaches Glimmen, das aus der heißen Anfangszeit des Universums übrig blieb und heute den Raum gleichmäßig erfüllt. Es lässt sich mit einem Teleskop für Radiowellen untersuchen. Und daher fahndeten die Forscher mit einem solchen Gerät nach den Spuren der Gravitationswellen.

Warum wurde die Entdeckung am Südpol gemacht?

Die Amundsen-Scott-Südpolstation, an der das BICEP2-Experiment aufgebaut ist, liegt auf dem antarktischen Eis in mehr als 2800 Meter Höhe. Dadurch steht das Teleskop in sehr dünner Luft. Die Luft ist auch sehr trocken, was günstig ist, da Feuchtigkeit Radiowellen dämpft. Überdies ist die Antarktis praktisch unbewohnt, es gibt also keine Störquellen wie Mobilfunk oder Fernsehsender.

Was ist die kosmische Inflation?

Die kosmische Inflation ist ein wesentlicher Bestandteil des gegenwärtigen Urknallmodells. Demnach dehnte sich das Universum einen winzigen Sekundenbruchteil nach dem Urknall in einem extrem kurzen Zeitraum unvorstellbar stark und mit vielfacher Lichtgeschwindigkeit aus.

Das geschah so schnell, dass aus winzigen Störungen, die im Universum vor der Inflation vorherrschten – den so genannten Quantenfluktuationen –, Dichteunterschiede im großen Maßstab entstanden. Durch sie bildeten sich später Strukturen wie die Galaxien im Weltraum.

Nur mit der immensen Geschwindigkeit der kosmischen Inflation können Kosmologen einige der heute beobachteten Eigenschaften des Alls erklären. Etwa, dass die Temperatur der Hintergrundstrahlung in allen Blickrichtungen extrem ähnlich ist oder dass das Universum – zumindest auf großen Skalen – überall gleich aussieht: Während der kosmischen Inflation dehnte sich das winzig kleine, gut durchmischte frühe Universum so schnell aus, dass diese relativ gleichförmige Verteilung erhalten blieb. Regionen, die heute weit entfernt voneinander sind, waren vor der kosmischen Inflation miteinander verbunden.