Das Universum erlebte unmittelbar nach seiner Entstehung eine rasante Ausdehnung, ein Phänomen, das als kosmische Inflation bezeichnet wird. Diese kurze aber intensive Phase hinterließ Spuren in der Struktur der Raumzeit. Wissenschaftler versuchen, diese Überreste zu detektieren, um die Ursprünge von allem, was uns umgibt, zu verstehen.
Albert Einstein hatte die Existenz von Gravitationswellen bereits 1916 in seiner allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Diese Kräuselungen der Raumzeit werden durch beschleunigte Massen erzeugt. Lange Zeit schien ihr Nachweis aufgrund ihrer extremen Schwäche unmöglich.
Das LIGO-Projekt ermöglichte schließlich 2015 die Beobachtung dieser Wellen mittels hochpräziser Laserinterferometer. Diese Entdeckung öffnete ein neues Fenster zum Universum. Sie bestätigte gewalttätige Phänomene wie die Verschmelzung von Schwarzen Löchern.
Die kosmische Inflation hätte urtümliche Gravitationswellen von kolossaler Amplitude erzeugt. Im Gegensatz zu den von LIGO detektierten Wellen haben sie sehr lange Wellenlängen. Ihr Signal geht im Hintergrundrauschen irdischer Detektoren unter.
Das zukünftige Weltraumobservatorium LISA wird drei Satelliten verwenden, um einen riesigen Interferometer zu bilden. Getrennt durch mehrere Millionen Kilometer werden sie nach den winzigen Variationen suchen, die durch diese uralten Wellen verursacht werden. Sein Start ist für die 2030er Jahre geplant.
Ein noch ehrgeizigeres Projekt, der Big Bang Observer, sieht Dutzende von Satelliten für eine erhöhte Empfindlichkeit vor. Es könnte die schwächsten urtümlichen Wellen einfangen. Derzeit befindet es sich jedoch im Stadium eines Vorschlags ohne konkrete Finanzierung.
Die drei Raumfahrzeuge der LISA-Mission werden ein Dreieck im Orbit bilden, mit Seitenlängen von 5 Millionen Kilometern und positioniert hinter der Erde. Sie werden Umlaufbahnen ähnlich der der Erde folgen, wodurch Längenänderungen der Dreiecksseiten minimiert werden.
Bild: NASA
Der Nachweis dieser Wellen würde bisher unbekannte Details über die ersten Augenblicke des Universums enthüllen. Es würde ermöglichen, Theorien über die Inflation und den Ursprung aller kosmischen Strukturen zu testen.
Was ist die kosmische Inflation?
Die kosmische Inflation ist eine in den 1980er Jahren vorgeschlagene Theorie, um bestimmte Eigenschaften des beobachtbaren Universums zu erklären. Sie postuliert eine ultra-schnelle exponentielle Ausdehnung, die etwa 10
-36 Sekunden nach dem Urknall stattfand.
Diese Phase dauerte nur einen winzigen Bruchteil einer Sekunde, vergrößerte das Universum aber um einen beträchtlichen Faktor, um einen Faktor von 10
26 oder sogar mehr. Sie homogenisierte und glättete das Universum und löste damit mehrere kosmologische Probleme wie das Horizont- und das Flachheitsproblem.
Die indirekten Beweise, die wir derzeit besitzen, umfassen die im kosmischen Mikrowellenhintergrund beobachteten Dichteschwankungen, die mit den inflationären Vorhersagen übereinstimmen.
Illustration der Geschichte des Universums.
Bild: BICEP2-Kollaboration/CERN/NASA Wie werden Gravitationswellen nachgewiesen?
Gravitationswellen werden mit Laserinterferometern nachgewiesen, die winzige Abstandsänderungen messen. Diese Instrumente verwenden in aktuellen Anlagen senkrechte Arme von mehreren Kilometern Länge.
Wenn eine Gravitationswelle passiert, verändert sie abwechselnd die Länge der Arme und erzeugt ein Interferenzmuster im Laser. Die erforderliche Empfindlichkeit ist außergewöhnlich und kann Veränderungen erkennen, die kleiner sind als die Größe eines Atoms.
Detektoren wie LIGO sind von irdischen Vibrationen isoliert und verwenden ultra-reflektierende Spiegel. Sie arbeiten im Netzwerk, um Signale zu bestätigen und ihre Quelle am Himmel zu lokalisieren.
Zukünftige Weltraummissionen wie LISA werden das irdische seismische Rauschen vermeiden und niederfrequente Wellen detektieren können, wie sie unmittelbar nach dem Urknall entstanden.