BICEP2-Teleskop am Südpol

Weit verbreitete Meinung ist, dass unser Universum vor rund 13.8 Milliarden Jahren mit dem Urknall seinen Anfang nahm und sich Bruchteile einer Sekunde später im Rahmen einer als Inflation bezeichneten Phase rasend schnell ausdehnte.
Gemäß Theorie soll die Inflation dabei auch Gravitationswellen produziert haben, Verzerrungen, Kräuselungen der Raumzeit, die sich durch das Universum mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.
Beobachtungen mit dem BICEP2-Teleskop könnten nun gezeigt haben, dass Gravitationswellen im Überfluss während dieser frühen Inflationsphase im Universum entstanden sind.

„Dieses Signal zu entdecken, ist eins der wichtigsten Ziele in der Kosmologie heute. Ein Haufen Arbeit einer Menge Leute hat zu diesem Punkt geführt,“ sagte John Kovac vom Harvard-Smithsonian Center für Astrophysik (CfA) und Leiter der BICEP2 Kollaboration.

Dies sind überwältigende Neuigkeiten, nicht nur weil der Beweis für eine rapide Inflationsphase im frühen Universum bisher noch ausstand.
Gravitationswellen gehören zu den faszinierendsten und erstaunlichsten Phänomenen im Universum. Sie folgen aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, obwohl Einstein selber nicht daran glaubte, dass man sie jemals würde beobachten können.
Der Nachweis für Ihre Existenz gehört zu den größten Herausforderungen der modernen Physik.

Nun sind die Physiker diesem Phänomen und dem Nachweis ihrer Existenz ein Stück näher gekommen. Gleichzeitig stellt die Entdeckung von Signalen primordialer Gravitationswellen, sollte sie sich bestätigen, auch einen Beweis für die kosmische Inflation dar.

Tage zuvor war die Gerüchteküche in vollem Gange gewesen und in diversen Medien, auch den sozialen wie Twitter, wurde angeregt über die mögliche neue Entdeckung, die von Forschern für Montag im Rahmen einer Pressekonferenz des CfA in Cambridge angekündigt worden war, diskutiert.

Worum geht es?

Die bahnbrechenden Ergebnisse stammen vom BICEP2 Teleskop (Abkürzung für „Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization“), einem Experiment in der Antarktis, mit dem die Polarisation der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung untersucht wird, der elektromagnetischen Wellen, die ein Echo des Urknalls darstellen.

Edwin Powell Hubble revolutionierte unser Bild vom Universum grundlegend. So wie zuvor schon sein Kollege Vesto Slipher beobachtete Hubble in den 1920er Jahren eine Rotverschiebung in den Spektren des Lichts ferner Galaxien. Aus dieser Rotverschiebung schloss er, dass sich die Galaxien mit einer Fluchtgeschwindigkeit von uns weg bewegen.

Edwin P. Hubble

1929 verkündete er das nach ihm benannte Hubble-Gesetz v = H*d, welches besagt, dass die Fluchtgeschwindigkeit v einer Galaxie proportional zu ihrem Abstand d von uns ist, d. h. je größer der Abstand, desto schneller bewegen sich die Galaxien von uns weg. Dabei wird die Proportionalitätskonstante in dieser Gleichung H als sog. Hubble-Konstante bezeichnet. Mit der Entdeckung dieser linearen Beziehung hatte Hubble gleichzeitig die bahnbrechende Entdeckung gemacht, dass sich das Universum ausdehnt.

Wenn es um die Erklärung der Rotverschiebung des Galaxienlichts geht, wird oft der sog. Dopplereffekt herangezogen. Hubble ging damals davon aus, dass die Rotverschiebung durch die sich von der Erde mit einer Fluchtgeschwindigkeit entfernenden Galaxien verursacht wird. Dies ist jedoch irreführend. Denn tatsächlich ist es nicht der Dopplereffekt, der die wirkliche Erklärung für diese Rotverschiebung liefert.

Gemäß dem Dopplereffekt verschiebt sich die Wellenlänge der Strahlung, die von einem Objekt ausgesandt wird, das sich auf den Beobachter zubewegt, zu einer höheren Frequenz, d. h. kleineren Wellenlänge, während die Wellenlänge der emittierten Strahlung eines Objekts, das sich vom Beobachter wegbewegt, zu einer niedrigeren Frequenz und höheren Wellenlänge und damit in den roten Bereich des Spektrums verschoben ist. Das Phänomen gilt auch für Schallwellen und lässt sich so anschaulich verdeutlichen: Der Sirenenton eines Krankenwagens etwa, der auf uns zufährt, ist höher – d. h. zu einer höheren Frequenz und kleineren Wellenlänge verschoben -, während der Ton tiefer ist, wenn der Wagen sich von uns entfernt. Die Wellenlänge der Schallwellen ist in letzterem Fall zu einer niedrigeren Frequenz, aber größeren Wellenlänge verschoben.

Die tatsächliche Erklärung für die Rotverschiebung des Lichts weit entfernter Galaxien liegt jedoch ganz woanders: Diese Rotverschiebung ist ein Effekt der Allgemeinen Relativitätstheorie.
Denn die Galaxien selber bewegen sich nicht wirklich durch den Raum von uns weg. Zwar bewegen sich die einzelnen Galaxien innerhalb ihres Galaxienhaufens, dem sie angehören. Doch die Galaxienhaufen selbst befinden sich insgesamt in Ruhe. Die beobachtete Fluchtgeschwindigkeit bzw. Rotverschiebung wird vielmehr durch die Expansion des Raums bewirkt. Es ist der Raum zwischen uns und den Galaxien, der expandiert, und zwar um jeden Ort an einer beliebigen Stelle im Universum herum.
Durch die Expansion des Raums werden auch die Wellenzüge des ausgesandten Lichts, die sich im Raum ausbreiten, gedehnt und sind somit rotverschoben.

Wenn sich der Raum und damit das Universum also immer weiter ausdehnte, so musste es irgendwann mal unendlich klein gewesen sein komprimiert in einem unendlich kleinen, dichten und heißen Punkt. Dementsprechend schloss man aus der Expansion, dass das Universum auch einen Anfang gehabt haben musste, einen Anfang im Urknall.

Wenn sich der aufmerksame Leser jetzt fragt, was der Urknall als solches ist, kann man ihn beruhigen. Die Urknalltheorie beschreibt nicht den Urknall als solches, sondern vielmehr die Ereignisse, die unmittelbar nach dem eigentlichen “Knall” stattgefunden haben.
Gänzlich unvorstellbar ist dabei die Antwort auf die Fragen, worin denn der Urknall stattfand oder was vor dem Urknall war. Derlei Fragen bleiben in der Urknalltheorie völlig im Dunkeln und sind wohl eher im philosophischen Bereich anzusiedeln.
Das erscheint insofern sinnvoll, da sich unser Vorstellungsvermögen durch das bestimmt, was wir wahrnehmen oder beobachten können.
Unsere gesamte Wahrnehmungswelt bezieht sich vollständig auf das uns bekannte Universum, und da vor dem Urknall quasi nichts existierte, ist alles, was mit und vor dem Urknall existierte und stattgefunden hat, somit für uns gänzlich unvorstellbar.

Urknall sah anders aus.

Vor dem Urknall existierte nichts – nichts von dem, was das heutige Universum ausmacht oder was sich für uns in irgendeiner Form mit einer vorstellbaren Welt in Verbindung bringen ließe: Kein Raum, keine Zeit, keine Materie, keine Energie, keine physikalischen Gesetze. Derlei Begriffe hatten vor dem Urknall keinerlei Bedeutung oder Existenz.
Alles, was wir heute mit dem uns bekannten Universum in Verbindung bringen, entstand erst mit dem Urknall.

Der Begriff “Urknall” bzw. sein engl. Pendant “Big Bang” – 1949 von Fred Hoyle, einem der zu jener Zeit größten Gegner der Urknalltheorie, rein zufällig in einer BBC-Sendung erschaffen – ist eher missverständlich.
Der Urknall ist nicht als Knall im eigentlichen Sinne zu verstehen. Hierfür wäre das Vorhandensein von Luft, von Materie, notwendig.
Das Phänomen, welches eigentlich durch die „Explosion“ oder den Begriff “Knall” angedeutet werden soll, ist die bis heute andauernde und messbare Expansion des Universums. Man stellt sich hierbei vor, dass das Universum seit dem Urknall aus einem unendlich kleinen, unendlich dichten und heißen Punkt heraus, den Physiker Singularität nennen, immer weiter expandiert. Diese Expansion und damit einhergehende Abkühlung des Universums dauert bis heute an.

Wie muss man sich aber den Urknall vorstellen?

Hat man eine Explosion vor Augen, so denkt man in der Regel an einen Vorgang, bei dem sich alles von einem bestimmten Punkt im Raum aus und zu einem bestimmten Zeitpunkt explosionsartig in alle Richtungen ausbreitet, wie etwa bei der Explosion einer Bombe.
Bei dem Urknall gab es jedoch kein Zentrum der Explosion. Der Urknall fand auch nicht an einem bestimmten Ort im Raum statt, es gab keinen den Urknall umgebenden Raum, denn beide Phänomene sind erst mit der Explosion entstanden.
So wie Steven Weinberg es in seinem berühmten Buch “Die ersten drei Minuten” formuliert und so unvorstellbar das klingt, fand die Explosion gleichzeitig überall statt,
gleichzeitig von Beginn an den gesamten Raum ausfüllend, der erst mit ihr entstanden ist.:

“Am Anfang gab es eine Explosion. Nicht eine Explosion, wie wir sie auf der Erde kennen, die von einem bestimmten Zentrum ausgeht und sich ausbreitet, indem sie mehr und mehr der sie umgebenden Luft einnimmt, aber eine Explosion, die sich gleichzeitig überall ereignete, den gesamten Raum von Anfang an ausfüllend, während sich jedes Materieteilchen von jedem anderen Teilchen wegbewegt.”

Doch wie kam man überhaupt auf die Idee, dass das Universum einen Anfang (im Urknall) hatte?