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.