Die wissenschaftlichen Daten der dreij\u00e4hrigen Beobachtungskampagne am S\u00fcdpolteleskop in der Antarktis wurden in der Facharbeit mit dem Titel „BICEP2 I: Detection Of B-mode Polarization at Degree Angular Scales<\/a>„. Ich bin kein Kosmologe und behaupte nicht, dass ich jedes Detail in diesem Artikel verstehe. Aber ein paar interessante Sachen m\u00f6chte ich doch aufgreifen. <\/p>\n Die besondere Entdeckung um die es hier geht ist ja die Beobachtung von primordialen B-Moden<\/i>. Dabei geht es um die Polarisation der kosmischen Hintergrundstrahlung. Diese Strahlung beobachten wir schon seit den 1960er Jahren, haben aber bisher nur ihre unterschiedliche Intensit\u00e4t gemessen. Aus diesen Messungen stammen Bilder dieser Art, die vermutlich jeder schon Mal gesehen hat:<\/p>\n Man sieht eine Darstellung des gesamten Himmels und die Farben geben an, wie hoch die Intensit\u00e4t der Hintergrundstrahlung ist. Die Variationen entsprechen Dichteschwankungen in der Verteilung der Materie, knapp 400.000 Jahre nach dem Urknall. Wir sehen also in eine Zeit vor 13,8 Milliarden Jahren zur\u00fcck, als das Universum gerade Mal 0,00003 Prozent seines heutigen Alters erreicht hat. Und weiter k\u00f6nnen wir auch nicht direkt zur\u00fcck sehen, denn zu diesem Zeitpunkt war das All das erste Mal k\u00fchl genug, damit sich Strahlung \u00fcberhaupt ausbreiten konnte. Die kosmische Hintergrundstrahlung ist die \u00e4lteste Strahlung im Universum und damit auch die \u00e4lteste, die wir beobachten k\u00f6nnen. <\/p>\n Aber trotzdem ist es m\u00f6glich, etwas \u00fcber die Zeit davor zu erfahren! Dazu muss man nicht nur die Intensit\u00e4t des Lichts beobachten, sondern auch seine Polarisation. Also, simpel gesagt, nachsehen, wie die Lichtwellen ausgerichtet sind. Die Variationen in der Verteilung der Materie beeinflussen, wie das Licht sich ausbreitet und k\u00f6nnen auch seine Polarisation ver\u00e4ndern. Das kann allerdings auf zwei grundlegend verschiedene Arten passieren. Beobachtet man die Ausrichtung der Polarisation in der Umgebung der Dichteschwankungen, dann kann man entweder ein spiegelsymmetrisches Muster bekommen oder ein wirbelf\u00f6rmiges Muster, das nicht spiegelsymmetrisch ist. Die beiden F\u00e4lle werden E-Moden und B-Moden genannt:<\/p>\n Verursacht werden die E- und B-Moden durch unterschiedliche Ph\u00e4nomene. E-Moden entstehen, wenn Licht an Atomen in einem Plasma gestreut wird und haben mit dem ganz fr\u00fchen Universum nichts zu tun. Daf\u00fcr aber die B-Moden und die hat man nun endlich beobachtet. Dieses Bild fasst die Ergebnisse der Beobachtung zusammen und wird vermutlich in Zukunft genau so ikonisch werden wie die Bilder der Intensit\u00e4tsverteilung der Hintergrundstrahlung:<\/p>\n Man erkennt hier wunderbar, wie sich die Polarisation, angedeutet durch die Linien, wirbelf\u00f6rmig entwickelt (die Farben geben die St\u00e4rke des „Wirbels“ im bzw. gegen den Uhrzeigersinn an), genau so wie es bei den B-Moden zu erwarten ist. Hier sehen wir \u00fcbrigens nur einen Ausschnitt des gesamten Himmels, denn das Instrument mit dem die Daten gewonnen wurden, war vergleichsweise klein. Das Teleskop, das am S\u00fcdpol die Mikrowellen aus dem All aufgefangen hat, hat nur einen Durchmesser von 30 Zentimetern und eben nur einen Ausschnitt des Himmels beobachtet. Das aber jahrelang und darum konnte man auch so genaue Daten sammeln. <\/p>\n Die Inflation messen<\/b><\/p>\n Ein wenig technischer sind die Daten in diesem Diagramm aufgetragen:<\/p>\n Auf der x-Achse sieht man das sogenannte Multipol-Moment<\/i>, das im wesentlichen beschreibt, auf welchen Gr\u00f6\u00dfenskalen am Himmel man die Daten korreliert. Soll hei\u00dfen, dass man zum Beispiel zwei 10 Grad umfassende Bereiche des Himmels betrachtet und nachsieht, wie stark sich die Intensit\u00e4t der polarisierten Strahlung unterscheidet. Dann wiederholt man das ganze f\u00fcr 5 Grad gro\u00dfe Bereiche, und so weiter. Je gr\u00f6\u00dfer das Multipol-Moment, desto kleiner der Bereich. Auf der y-Achse ist nun die St\u00e4rke des jeweiligen Signals aufgetragen und aus diesem Spektrum<\/i> kann man einiges lernen. Die schwarzen und grauen Punkte sind Korrelationen verschiedener Messwerte die man mit verschiedenen Versionen (BICEP1, BICEP2, etc) der Messger\u00e4te gewonnen hat. Die durchgehende rote Linie ist eine theoretische Vorhersage, dessen, was man sehen m\u00fcsste, wenn die B-Moden alle erst sp\u00e4ter<\/i> entstehen. Wenn sich die kosmische Hintergrundstrahlung auf ihrer langen Reise durchs All bis zu uns zum Beispiel an Galaxien und Galaxienhaufen vorbei bewegt, dann kann deren gravitative Wirkung die Polarisation ebenfalls ver\u00e4ndern. Und wenn das der einzige Effekt ist, der B-Moden verursacht, dann sollten die Datenpunkte der durchgezogenen roten Linie folgen. Das tun sie aber nicht – sondern folgen der gestrichelten roten Linie. Und die beschreibt die primordialen B-Moden<\/i>!<\/p>\n Diese Art der Polarisierung kann nur durch die kosmische Inflation verursacht werden. Als sich das Universum unmittelbar nach dem Urknall pl\u00f6tzlich viel schneller ausdehnte, wurden dabei Gravitationswellen erzeugt. Die extreme Expansion hat quasi den Raum selbst zum Wackeln gebracht und diese Gravitationswellen haben die Verteilung der Materie beeinflusst. Als sich das Licht ein paar hundertausend Jahre sp\u00e4ter dann endlich ausbreiten konnte, wurde ihm die Auswirkung dieser speziellen Verteilung in Form der Polarisierung aufgepr\u00e4gt. Wir haben zwar die Gravitationswellen der Inflationsphase nicht direkt gemessen, aber wir haben ein direktes Bild<\/i> dieser Wellen im fr\u00fchen Universum gesehen.<\/p>\n Die Inflation ist eine wirklich seltsame Sache. Wenn man einfach nur sagt, dass sich das Universum fr\u00fcher mal ein bisschen schneller ausgedehnt hat als sonst, dann ist das zwar richtig, kommt aber einer Beschreibung dessen, was wirklich passiert ist, nicht wirklich nahe. Auch eine mathematisch exakte Beschreibung l\u00e4sst die Vorstellungskraft ratlos zur\u00fcck: Als die Inflationsphase begann, war das Universum gerade mal 10-35<\/sup> Sekunden alt. Das sind 0,00000000000000000000000000000000001 Sekunden – was die Sache aber nicht unbedingt anschaulicher macht. Als die Inflationsphase zu Ende war, war das Universum 10-32<\/sup> Sekunden alt. Die ganze Sache mit der Inflation hat gerade mal 0,00000000000000000000000000000001 Sekunden gedauert. Das klingt enorm kurz und das IST auch enorm kurz. Aber in dieser enorm kurzen Zeitspanne ist das Universum von einem unvorstellbar kleinen Zustand; kleiner als ein subatomares Elementarteilchen auf die Gr\u00f6\u00dfe eines Fu\u00dfballs angewachsen. Nun ist ein Fu\u00dfball im Vergleich mit den heutigen Universum verdammt winzig. Aber im Vergleich zu dem noch viel kleineren Universum unmittelbar nach dem Urknall ist ein Fu\u00dfball ein gigantisch gro\u00dfes Gebilde! Und der kurze Zeitraum den die Inflation gebraucht hat, ist enorm lange, wenn ihn mit der damaligen Lebensdauer des Universums vergleicht. Die Inflation dauerte tausende Male l\u00e4nger als das Universum zu diesem Zeitpunkt alt war. Aus Sicht des Universums war es also ein ziemlich langer Vorgang.<\/p>\n Modelle der Inflation<\/b><\/p>\n Aber egal wie man probiert es zu veranschaulichen: Es wird f\u00fcr uns Menschen immer unvorstellbar bleiben. Umso erstaunlicher ist es, das wir in der Lage sind, solche Dinge herauszufinden! Die Beobachtung der primordialen B-Moden erlaubt es uns, Aussagen \u00fcber das zu machen, was 10-35<\/sup> Sekunden nach dem Urknall passiert ist! Die Geschichte mit der Inflation ist schon den 1980er Jahren entwickelt worden um verschiedene Probleme des klassischen Urknallmodells zu l\u00f6sen. Damals war es der Wissenschaftler Alan Guth<\/i>, der auf die Idee mit der Inflation kam und wer m\u00f6chte, dem kann ich sein Buch „Die Geburt des Kosmos aus dem Nichts. Die Theorie des inflation\u00e4ren Universums“<\/a> empfehlen, in dem er genau erkl\u00e4rt, wie er darauf gekommen ist. Man wusste schon damals, dass man mit der Inflation viele Probleme l\u00f6sen kann; wusste aber nicht, wie genau<\/i> die Inflation abl\u00e4uft.<\/p>\n Man kann die Expansion des Universums mit einem Ball vergleichen, der einen H\u00fcgel runter rollt. Wie schnell der Ball das tut und wie sich seine Geschwindigkeit ver\u00e4ndert, h\u00e4ngt davon ab, wie steil der H\u00fcgel ist und welche Form der Abhang hat. So in etwa ist es auch bei der Inflation. Verschiedene theoretische Modelle erkl\u00e4ren die Expansion des Alls auf verschiedene Art und Weise und bis jetzt hatte man keine M\u00f6glichkeit, das konkret zu \u00fcberpr\u00fcfen. Die bisherigen Beobachtungen standen zumindest nicht im Widerspruch zu der Inflationshypothese und wenn das auch vielversprechend ist, reicht es doch nicht als Beleg f\u00fcr deren Korrektheit aus. Mit den vorhandenen Daten konnte man nur gewisse Grenzen f\u00fcr die „Form des H\u00fcgels“ angeben aber nicht sagen, wie er wirklich aussieht. In meinem Artikel von gestern<\/a> habe ich ein Bild mit solchen Grenzen gezeigt:<\/p>\n Dieses Diagramm zeigt zwei grundlegende Parameter, mit denen man eine bestimmte „H\u00fcgelform“ beschreiben kann. Auf der x-Achse ist der „scalar spectral tilt“ aufgetragen. Diese Zahl beschreibt, ob es im fr\u00fchen Universum eine bestimmte bevorzugte Gr\u00f6\u00dfenordnung gab, mit der sich die Korrelation der Strukturen beschreiben l\u00e4sst und die y-Achse zeigt das „Skalar-Tensor-Verh\u00e4ltnis“, eine Zahl die beschreibt, wie stark der Einfluss der primordialen Gravitationswellen im Vergleich zu den anderen Dichteschwankungen war. Das ist eine ziemlich wichtige Zahl, denn sie h\u00e4ngt von der Temperatur des damaligen Universums ab und sagt uns etwas \u00fcber die Energie, die damals im Kosmos gesteckt hat.<\/p>\n Die bunten Linien und Fl\u00e4chen geben an, wo man bisher die korrekten Werte vermutet hat und die wahrscheinlichsten Zahlen lagen irgendwo bei 0,96 f\u00fcr den spectral tilt<\/i> und 0,06 f\u00fcr das Skalar-Tensor-Verh\u00e4ltnis. Die neuen Daten zeigen nun aber, dass das Skalar-Tensor-Verh\u00e4ltnis deutlich h\u00f6her, bei 0,2 liegt. Das sieht nach einem Widerspruch zum dem aus, was im Bild zu sehen ist, und diesen Widerspruch sprechen die Forscher in ihrer Arbeit auch an:<\/p>\n „These high values of r are in apparent tension with previous indirect limits based on temperature measurements and we have discussed some possible resolutions including modifications of the initial scalar perturbation spectrum such as running. However we emphasize that we do not claim to know what the resolution is.“<\/i><\/p><\/blockquote>\n Das, was in dem Bild oben gezeigt ist, ist nur eine M\u00f6glichkeit, die Daten zu interpretieren. Es gibt auch andere Modelle, wie zum Beispiel das „running“ des „spectral tilt“ (fragt mich nicht, was das im Detail zu bedeuten hat, aber es geht dabei wohl um die M\u00f6glichkeit, dass zu verschiedenen Zeiten verschiedene bevorzugte Gr\u00f6\u00dfenskalen existiert haben) die sehr gut zu den neuen Daten passen, wie dieses Diagramm zeigt:<\/p>\n Die roten Fl\u00e4chen zeigen die alten Grenzen in neuer Interpretation mit „running“ und die blauen Fl\u00e4chen die neuen Daten. Und hier passen sie wunderbar zusammen. <\/p>\n Was bedeutet diese Entdeckung?<\/b><\/p>\n Die Bedeutung dieser Beobachtung der primordialen B-Moden ist noch gar nicht komplett abzusch\u00e4tzen. Aber sie wird die zuk\u00fcnftige Forschung auf jeden Fall ma\u00dfgeblich beeinflussen. Da ist zum Beispiel die Quantengravitation<\/i>. So nennen Wissenschafler den Versuch, die Theorie der Gravitation mit der Theorie der Quantenmechanik in Einklang zu bringen, was bisher noch nicht gelungen ist aber irgendwann gelingen muss. Denn erst so eine Theorie der Quantengravitation w\u00e4re in der Lage, Ph\u00e4nomene wie schwarze L\u00f6cher oder den Urknall selbst mathematisch korrekt zu beschreiben. Wir haben aber bis jetzt noch so gut wie keine Ahnung, wie sich die Gravitation auf subatomaren Gr\u00f6\u00dfenskalen verh\u00e4lt. Die Stringtheorie w\u00e4re in der Lage, die Quantengravitation zu beschreiben, ist aber selbst eigentlich immer noch nur eine Hypothese und keine Theorie, weil es noch keine Beobachtungsdaten gibt, anhand der man sie \u00fcberpr\u00fcfen k\u00f6nnte. Kein Teilchenbeschleuniger ist in der Lage, die enorm hohen Energien zu erzeugen, die daf\u00fcr n\u00f6tig w\u00e4ren.<\/p>\n Mit der Beobachtung der B-Moden sind wir aber in der Lage, das Universum<\/i> zu einer Zeit zu betrachten, als es von einer Energie erf\u00fcllt war, die \u00fcber alles hinaus geht, was in unseren Beschleunigern stattfindet. Die Beobachtungsdaten sagen uns, dass es hier um Energien in der Gr\u00f6\u00dfenordnung von 2 \u00d7 1016<\/sup> Gigaelektronenvolt geht bzw. fast eine Billion mal mehr, als im Teilchenbeschleuniger LHC m\u00f6glich ist! Das ist verdammt viel, und wir k\u00f6nnen hier Dinge lernen, die wir sonst nirgendwo lernen k\u00f6nnen!<\/p>\n Zum Beispiel, dass die Quantengravitation tats\u00e4chlich existiert! Die primordialen B-Moden sind ein direkter Hinweis darauf, dass im fr\u00fchen Universum vor der Inflation die Gravitation tats\u00e4chlich eine quantisierte Kraft war, denn nur wenn sich die Quantenfluktuationen auch auf die Gravitation auswirken, k\u00f6nnen die primordialen B-Moden entstehen.<\/p>\n Es handelt sich bei dieser Beobachtung aber auch um den ersten Nachweis der Hawking-Strahlung! Die kennt man ja normalerweise nur im Zusammenhang mit schwarzen L\u00f6chern. Hier hat Stephen Hawking den Einfluss der enormen Gravitation auf die Quanteneffekte berechnet und dabei entdeckt, dass von den schwarzen L\u00f6chern eine Strahlung ausgeht. Das trifft aber auch auf das junge Universum zu. Auch das war vergleichbar mit einem schwarzen Loch; war enorm klein und enorm dicht und gab Hawking-Strahlung ab, deren Auswirkung auf die Verteilung der Materie heute in Form der B-Moden zu beobachten ist.<\/p>\n Und schlie\u00dflich ist diese Entdeckung auch noch ein starkes Indiz f\u00fcr die Existenz des Multiversums. So gut wie alle modernen kosmologischen oder physikalischen Theorien deuten darauf hin, dass unser Universum nicht das einzige ist sondern viele existieren. Ich habe das in einer fr\u00fcheren Blog-Serie<\/a> ausf\u00fchrlich erkl\u00e4rt und dabei auch \u00fcber die „ewige Inflation“<\/a> gesprochen. Die Idee dahinter ist, dass die Inflation kein einmaliges Ereignis ist, sondern immer wieder stattfindet. Die Quantenfluktuationen k\u00f6nnten nicht nur f\u00fcr eine kurz Inflationsphase sorgen, sondern f\u00fcr viele, die immer wieder auftreten und unterschiedlich lang dauern. Der Raum w\u00e4re dann vergleichbar mit einem St\u00fcck Schweizer K\u00e4se, in dem dank Inflation immer wieder Universen in die Existenz „ploppen“ und die Blasen im kosmologischen K\u00e4se bilden.<\/p>\n Einer der Pioniere bei der Entwicklung dieses inflation\u00e4ren Multiversums ist der Kosmologe Andrei Linde<\/a> dessen theoretische Vorhersage \u00fcber die Parameter der Inflation ziemlich gut mit den neuen Beobachtungen \u00fcberein stimmen. Dementsprechend erfreut war er auch, als ihn ein Kollege ohne Vorwarnung mit den Ergebnissen \u00fcberrascht hat:<\/p>\n![\"Messung](\"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/wp-content\/uploads\/2025\/05\/Planck_CMB_node_full_image.jpg\")
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