Forschungsbericht 2018 - Max-Planck-Institut für Astrophysik
Gravitationswellen als Botschafter aus dem sehr frühen Universum
Quantenursprung aller Strukturen im Universum
Wie hat das Universum begonnen? Diese Frage fasziniert die Menschheit seit Jahrtausenden. Die sogenannte Präzisionskosmologie hat uns der Beantwortung dieser Frage recht nahe gebracht, gestützt auf Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) mit den Weltraumteleskopen Planck (ESA) und WMAP (NASA). Genaue Messungen der Temperatur- sowie der Polarisationsschwankungen des CMB lieferten ein beeindruckendes Bild vom Ursprung der kosmischen Strukturen wie Galaxien, Sterne und Planeten: Alles um uns herum entwickelte sich aus Quantenfluktuationen, die im frühen Universum Teilchen-Antiteilchen-Paare erzeugten. Dichteschwankungen wurden in den ersten Sekundenbruchteilen durch die beschleunigte Expansion des Universums, genannt Inflation, auf sehr große Dimensionen gedehnt. Nach dem Ende der Inflation verlangsamte sich die Ausdehnung des Universums, und aus diesen Schwankungen entwickelten sich die heutigen Strukturen im Universum.
Abb. 1: Die Dreipunktfunktion der Gravitationswellen (die Korrelation von Gravitationswellen bei drei verschiedenen Wellenlängen), die durch Quantenfluktuationen der Raumzeit erzeugt werden, als Funktion des Verhältnis der beiden längeren Wellenlängen zur kürzesten. Im Grenzfall gleicher Wellenlängen (r2 = r3 = 1) entspricht dies der „Schiefe“ der Verteilung.
Ein wichtiger Test für den quantenmechanischen Ursprung dieser Schwankungen ist ihre Wahrscheinlichkeitsverteilung. Sie gibt an, wie groß die Wahrscheinlichkeit ist, dass eine Schwankung an einem bestimmten Punkt im Universum eine bestimmte Stärke besitzt. Für freie Felder mit Quantenfluktuationen im Grundzustand entspricht die Wahrscheinlichkeitsverteilung einer Gaußkurve. Wechselwirkungen der Felder mit anderen Feldern oder mit sich selbst im frühen Universum führten jedoch dazu, dass diese Verteilung von einer Gaußkurve abwich. Diese „Nicht-Gaußheit“ ist daher ein entscheidender Hinweis auf Wechselwirkungen von Feldern während der Inflation. Sie eröffnet einen Blick auf die Physik bei Energieskalen, die weit außerhalb der Reichweite heutiger Teilchenbeschleuniger liegt.
Kosmische Mikrowellenhintergrund als Gravitationswellendetektor
Im jungen Universum – auch noch lange nach der Inflationären Phase – wurde die Strahlung (Photonen) an den vielen freien Elektronen gestreut. Die Materie war undurchsichtig wie dichter Nebel. Als die Temperatur nach etwa 380.000 Jahren ausreichend gesunken war, lagerten sich die Elektronen an Atomkerne an. Es entstanden die ersten Atome, und die Photonen konnten sich frei ausbreiten: Sie sind noch heute im Universum vorhanden und bilden als kosmischer Mikrowellenhintergrund das älteste Licht, das wir sehen können.
Demgegenüber breiten sich Gravitationswellen seit dem Beginn des Universums nahezu ungehindert aus und sind daher als Informationsträger viel älter und „sauberer“. Zwar können diese Gravitationswellen bislang nicht direkt beobachtet werden, sie hinterlassen aber ein einzigartiges Polarisationsmuster im CMB.
Die Amplitude dieser Polarisation hängt von der Energieskala der Inflation ab, worüber wir die Reichweite unserer physikalischen Theorien testen können. Es gibt jedoch einen Haken: Andere Energiequellen können ebenfalls Gravitationswellen erzeugen. Hierzu zählen sogenannte Eichfelder. In diesem Fall hängt der Polarisationsgrad nicht nur von der Energieskala der Inflation ab, sondern auch vom genauen Mechanismus, mit dem diese anderen Felder Gravitationswellen erzeugen. Wenn wir also die Wirkung von Gravitationswellen im CMB beobachten, wie können wir ihren Ursprung bestimmen?
Abb. 2: Wie Abbildung 1, aber für Gravitationswellen, die durch die Wechselwirkung von Eichfeldern entstehen. Die Werte sind viel größer als für Quantenfluktuationen, wie ein Vergleich mit Abbildung 1 zeigt. Auch die Form der Verteilung unterscheidet sich deutlich von der der Quantenfluktuationen.
Wissenschaftler am MPA haben kürzlich eine Möglichkeit gefunden, wie sich der Ursprung der primordialen Gravitationswellen ermitteln lässt. Die entscheidende Idee dahinter ist, dass die Gravitationswellen sich der prinzipiell beobachtbaren Polarisation der kosmischen Hintergrundstrahlung aufprägen. Hierfür bestimmt man die sogenannte Drei-Punkt-Funktion. Das ist eine Korrelation von Gravitationswellen bei drei verschiedenen Wellenlängen in Abhängigkeit von dem Verhältnis der beiden größeren Wellenlängen zur kürzesten Wellenlänge (Abbildung 1). Aus der Schiefe dieser Funktion lässt sich ablesen, ob die Gravitationswellen ausschließlich durch Vakuumfluktuationen erzeugt wurden, oder ob auch Eichfelder dabei eine Rolle spielten. In diesem Fall ist die Schiefe der Funktion fast eine Million Mal größer (Abbildung 2).
Es sind derzeit Teleskope geplant, die den CMB mit deutlich höherer Empfindlichkeit vermessen werden, als es mit WMAP und Planck möglich war. An der japanischen Mission LiteBIRD ist das MPA stark beteiligt. Mit im sollten sich die Eigenschaften der Gravitationswellen bestimmen lassen. Dann wäre es auch möglich, den Anteil der Eichfelder an der Energiedichte während der Inflation zu messen. Damit können wir die Eigenschaften des Universums untersuchen, als es weniger als ein Billionstel eines Billionstel (10-36) einer Sekunde alt war.