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GRAVITATIONSWELLEN
Signale von kurz nach dem Urknall?
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Basel
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13. Februar 2017

Mithilfe von Gravitationswellen könnte man vielleicht weiter in die Vergangenheit zurückblicken, als dies bislang möglich ist. Physiker der Universität Basel haben jetzt das Signal bestimmter Gravitationswellen-Quellen berechnet, welches Bruchteile von Sekunden nach dem Urknall entstanden ist. Es scheint überraschend stark zu sein. Nun muss es nur noch nachgewiesen werden.

WMAP

Die kosmische Hintergrundstrahlung ist das bislang älteste Signal, das wir empfangen können. Sie entstand rund 380.000 Jahre nach dem Urknall. Gravitationswellen könnten aus noch früherer Zeit nachweisbar sein. Bild: NASA / WMAP Science Team   [Gesamtansicht]

 Gravitationswellen hat bereits Albert Einstein vorhergesagt, tatsächlich nachweisen konnte man sie aber erst im Herbst 2015. Hochsensible Detektoren empfingen damals die Wellen, die bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher entstanden sind. Gravitationswellen sind anders als alle anderen bekannten Wellen. Während sie sich durch das Universum fortpflanzen, stauchen und strecken sie die Raumzeit, oder anders: sie verzerren die Geometrie des Raumes selbst. Obwohl jede sich beschleunigende Masse Gravitationswellen aussendet, lassen sie sich nur bei extrem großen Massen wie Schwarzen Löchern oder Sternenexplosionen messen.

Gravitationswellen liefern aber nicht nur Erkenntnisse zu solchen astrophysikalischen Großereignissen, sondern bieten auch Einblick in die Entstehung des Universums selbst. Um mehr über diese Phase des Alls zu erfahren, erforschen Prof. Stefan Antusch und sein Team vom Departement Physik der Universität Basel den sogenannten stochastischen Gravitationswellenhintergrund.

Dieser Hintergrund besteht aus Gravitationswellen von sehr vielen Quellen, die sich überlagern und zusammen ein breites Spektrum an Frequenzen ergeben. Die Basler Physiker berechnen Vorhersagen zu den Frequenzbereichen und zur Stärke der Wellen, die dann in Experimenten getestet werden können.

Kurz nach dem Urknall war das heute sichtbare Universum noch sehr klein, dicht und heiss. "Man kann sich das etwas in der Größe eines Fußballes vorstellen", erklärt Antusch. Das gesamte Weltall war auf diesen sehr engen Raum komprimiert und äußerst turbulent. Die Kosmologie geht heute davon aus, dass das Universum damals von dem Inflaton-Teilchen und seinem dazugehörigen Feld dominiert wurde.

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Das Inflaton fluktuierte stark und diese Fluktuationen hatten besondere Eigenschaften. Sie bildeten beispielsweise Klumpen, schwankten also in lokalisierten Bereichen. Diese Bereiche nennt man "Oscillons". Man kann sie sich als stehende Wellen vorstellen. "Obwohl die Oscillons schon lange nicht mehr existieren, sind die Gravitationswellen, die sie ausgesandt haben, allgegenwärtig – durch sie können wir weiter zurückschauen als jemals zuvor", zeigt sich Antusch überzeugt.

Der theoretische Physiker und sein Team konnten in numerischen Simulationen berechnen, wie das Signal der Oscillons, welches nur Bruchteile von Sekunden nach dem Urknall ausgesendet wurde, aussieht. Es erscheint als starker Peak in dem ansonsten breiten Frequenzspektrum der Gravitationswellen.

"Wir hätten vor unseren Berechnungen nicht gedacht, dass Oscillons ein solch starkes Signal bei einer bestimmten Frequenz erzeugen können", erläutert Antusch. Die Vorhersage ist allerdings nur der erste Schritt: Entscheidend wird nun sein, ob sich das berechnete Signal mit Detektoren auch tatsächlich nachweisen lässt.

Über ihre Untersuchungen berichten die Forscher in einem Fachartikel, der in der Fachzeitschrift Physical Review Letters.

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Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
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