Forscher berechnen Gravitationswellen aus dem frühen Universum

13. Februar 2017, 16:09
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Simulationen zeigen, wie das Signal der sogenannten Oscillons, das kurz nach dem Urknall ausgesendet wurde, aussehen muss

Basel – Im Vorjahr machte die erste Messung von Gravitationswellen Schlagzeilen. Jene Störungen der Struktur von Raum und Zeit, die Albert Einstein in seiner allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt hatte, waren erstmals detektiert worden. Obwohl jede sich beschleunigende Masse Gravitationswellen aussendet, lassen sie sich nur bei extrem großen Massen wie Schwarzen Löchern oder Sternenexplosionen messen.

Die bisher detektierten Gravitationswellen stammten jeweils von der Verschmelzung Schwarzer Löcher, die aus Sternen entstanden waren. Diese Wellen liefern aber nicht nur Erkenntnisse zu astrophysikalischen Großereignissen, sondern bieten auch Einblick in die Entstehung des Universums selbst. Forscher der Universität Basel haben nun erstmals das Signal einer Gravitationswellen-Quelle berechnet, das Sekundebruchteile nach dem Urknall entstanden sein muss, wie sie in den "Physical Review Letters" berichten.

Komprimiertes All

Stefan Antusch und sein Team forschen zum sogenannten stochastischen Gravitationswellenhintergrund. Dieser Hintergrund besteht aus Gravitationswellen von sehr vielen Quellen, die sich überlagern und zusammen ein breites Spektrum an Frequenzen ergeben. Die 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 Fußballs vorstellen", sagt Antusch. Das gesamte Weltall war auf diesen engen Raum komprimiert und ausgesprochen turbulent. Heute geht man davon aus, dass das Universum damals vom sogenannten Inflatonteilchen und seinem dazugehörigen Feld dominiert wurde.

Starkes Signal

Das Inflaton fluktuierte stark, und diese Fluktuationen hatten besondere Eigenschaften: Sie bildeten etwa Klumpen, schwankten also in lokalisierten Bereichen. Diese Bereiche nennt man Oscillons. "Obwohl die Oscillons schon lange nicht mehr existieren, sind die Gravitationswellen, die sie ausgesendet haben, allgegenwärtig – durch sie können wir weiter zurückschauen als jemals zuvor", so Antusch.

Der Forscher und sein Team konnten in numerischen Simulationen berechnen, wie das Signal der Oscillons, das kurz 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", so der Physiker. Nun bleibt zu hoffen, dass das Signal mithilfe von Detektoren tatsächlich nachgewiesen werden kann. (red, 13.2.2017)

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