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Einem internationalen Forscherteam ist mit dem Mikrowellenteleskop Bicep2 am Südpol der Nachweis von Gravitationswellen gelungen. Dies gaben die Wissenschaftler am Montag bekannt. Hält diese Nachricht einer unabhängigen Überprüfung stand, handelt es sich um eine der spektakulärsten Entdeckungen der modernen Physik. Damit würden erstmals die Gravitationswellen experimentell nachgewiesen, die Albert Einstein in seiner Relativitätstheorie vorausgesagt hatte. Im Interview erläutert die an der Universität Genf tätige Kosmologin Ruth Durrer die Hintergründe.
Frau Prof. Durrer, Forscher haben mit einem Mikrowellenteleskop Gravitationswellen in der kosmischen Hintergrundstrahlung entdeckt. Zum Verständnis: Was ist kosmische Hintergrundstrahlung?
Ruth Durrer: Das ist Strahlung, die übrig geblieben ist aus einer frühen Phase des Universums, als dieses noch sehr, sehr heiss war. Unser ganzes Universum ist von dieser Strahlung, die sich unterdessen auf -270 °C abgekühlt hat, durchdrungen. Die kosmische Hintergrundstrahlung ist elektromagnetische Strahlung, besteht also aus Photonen, die wir mit Teleskopen auffangen können (und übrigens auch mit einem alten Röhrenfernseher zu beobachten ist, wenn kein Programm eingestellt ist). Die kosmische Hintergrundstrahlung, die wir heute mit Teleskopen detektieren, ist seit dem Urknall unterwegs, also seit fast 14 Milliarden Jahren.
Die Hintergrundstrahlung ist so wichtig, weil sie Informationen enthält über das, was ganz zu Beginn des Universums war. Kurz nach dem Urknall gab es eine Phase, die die Kosmologen 'Inflation' nennen. Was war das?
Die Inflation war eine Phase, in der sich das Universum nach dem Urknall sehr, sehr schnell ausgedehnt hat, schneller als mit Lichtgeschwindigkeit (ohne dabei allerdings die Relativitätstheorie zu verletzen, die keine höhere Signalgeschwindigkeit als das Licht erlaubt). Die Inflation fand unvorstellbar kurz nach dem Urknall statt und dauerte eine unvorstellbar kurze Zeit (10-36 Sekunden). In diesem winzigen Moment dehnte sich das Universum immerhin um einen Faktor 1025 aus. Die Inflation erklärt, warum das Universum heute so gigantisch gross ist – und warum es so flach ist, denn das Universum ist wahrscheinlich räumlich nicht gekrümmt. Zudem erklärt uns die Inflation, warum die Hintergrundstrahlung, die wir heute beobachten können, immer die gleiche Temperatur hat, unabhängig davon, aus welcher Richtung sie bei uns auf der Erde eintrifft.
Nun haben Physiker am Bicep2-Teleskop durch Auswertung der kosmischen Hintergrundstrahlung nachweisen können, dass während dieser extrem kurzen Inflationszeit sogenannte Gravitationswellen bestanden haben müssen. Gravitation ist für uns die Kraft, die den Apfel vom Baum fallen lässt. Was aber sind Gravitationswellen?
Das mit dem Apfel – das war Newtons Gravitationstheorie. Einstein hat diese Theorie erweitert in eine neue Gravitationstheorie, die verträglich ist mit der speziellen Relativitätstheorie. Nach Newtons Vorstellung stellte sich die Gravitationskraft instantan ein, sie pflanzte sich also unendlich schnell fort. Einstein hat dies abgeändert, bei ihm braucht die Gravitationskraft Zeit, um sich fortzupflanzen – und sie tut das in Form einer Gravitationswelle. Gravitationswellen durchqueren das Universum und pressen den Raum zusammen und dehnen ihn wieder aus. Gravitationswellen haben – wie die jüngste Entdeckung nahelegt – bereits während der Inflation bestanden. Natürlich bestehen sie aber auch heute noch, zum Beispiel, wenn der Apfel vom Baum fällt. Allerdings ist die Gravitationswelle, die den Apfel auf den Boden fallen lässt, eine ganz winzige Welle, die so schwach ist, dass wir sie nicht nachweisen können. In den Experimenten LIGO und VIRGO arbeiten Physiker übrigens zur Zeit daran, Gravitationswellen rund um Schwarze Löcher nachzuweisen, die sehr viel stärker sind als jene des Apfels.
Der jüngste Nachweis der Gravitationswellen ist wichtig, weil dadurch die Inflationstheorie gestützt wird. Und sonst?
Der Nachweis von Gravitationswellen hat immense Bedeutung für uns Kosmologen. Was ich am faszinierendsten finde: Die Gravitationswellen werden aus dem Quantenvakuum produziert. Wenn man diese Gravitationswellen nun gesehen hat – das Experiment muss noch bestätigt werden –, dann hat man einen Quanteneffekt der Gravitation entdeckt. Dann weiss man jetzt also, dass das Gravitationsfeld auch ein Quantenfeld ist und mit einer Quantentheorie beschrieben werden muss. Wir haben bisher eine Quantentheorie der Elektrodynamik, eine Quantentheorie der starken Wechselwirkung, aber keine konsistente Quantentheorie der Gravitation. Die fehlt uns noch. Jetzt haben wir die Gewissheit, dass wir eine solche Quantentheorie der Gravitation suchen müssen– weil wir mit diesen Gravitationswellen erstmals Quanteneffekte der Gravitation gemessen haben.
Eine Steilvorlage, um die Gravitationskraft ins Theoriegebäude der modernen Physik zu integrieren?
Ja, wobei dieses experimentelle Ergebnis selbst noch nicht verwechselt werden darf mit einer neuen Theorie. Aber es zeigt uns, dass das Gravitationsfeld wirklich ein Quantenfeld ist. Damit wissen wir: Auch die Gravitationskraft tritt gequantelt auf, so wie alle anderen Felder, die wir heute kennen.
Der jüngste Nachweis ist auch von grosser Bedeutung, was die Amplituden der Gravitationswellen betrifft. Die Amplituden verraten uns nämlich die Energieskala der Inflation. Bisher wussten wir nicht, wie hoch die Energie des Inflaton-Feldes während der Inflation war. Wenn die Ergebnisse des Bicep2-Experiments korrekt sind, bedeutet das, dass die Energie während der Inflation 1016 GeV war, das ist Tausend Milliarden mal die Energie, die man im Teilchenbeschleuniger LHC am CERN bei Teilchenkollisionen produzieren kann. Das sind gigantisch hohe Energien, die wir nie in einem Beschleuniger werden produzieren können.
Wie wurden die Gravitationswellen konkret nachgewiesen?
Das Südpol-Experiment Bicep2 misst nicht nur die Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung, sondern insbesondere auch deren Polarisation, also die Richtung, in welcher die mit dem Photon assoziierte elektromagnetische Welle oszilliert. Gravitationswellen erzeugen ein ganz bestimmtes Polarisationsmuster am Himmel. Wenn man dieses bestimmte Muster beobachtet, weiss man, dass dieses von Gravitationswellen herrühren muss. Genau dieses Muster wurde vom Bicep2-Forscherteam nun gemessen.
Wie bedeutsam ist für Sie das jüngste Ergebnis?
Wenn dieses Ergebnis bestätigt wird, ist es für mich das spektakulärste seit der Entdeckung der W- und Z-Bosonen in den frühen 1980er Jahren am CERN. Wichtiger noch als die Entdeckung des Higgs-Teilchens im Jahr 2012.
Warum?
Das Higgs-Teilchens wurde schon lange vorausgesagt, und die Sensation hätte darin bestanden, wenn man es nicht gefunden hätte. Bei dem vorliegenden Ergebnis war das anders: Wir mussten befürchten, diesen Effekt niemals beobachten zu können.
Hat die Schweiz zu dem Experiment einen direkten Beitrag geleitet?
Nein, bei dem Experiment war, soviel ich weiss, kein Schweizer Forscher dabei. Viele von uns sind aber am Planck-Experiment beteiligt, das das Resultat des Bicep2-Teleskops überprüfen wird.
Interview: Benedikt Vogel (veröffentlicht 18. 3. 2014)
Ruth Durrer ist Autorin des Buches: The Cosmic Microwave Background, Cambridge University Press, 2008.