Stephen Hawking about “Quantum Black Holes”

Stephen Hawking is currently attending a historic conference in Stockholm – organized by the Nordic Institute for Theoretical Physics (Nordita) and Laura Mersini-Houghton, a professor at the University of North Carolina at Chapel Hill. As an astrophysicist I was especially grateful having been able to hear one of the most brilliant scientists of our time speaking about “Quantum Black Holes” – hypothetical tiny black holes, for which quantum mechanical effects play an important role.

Stephen Hawking giving a lecture in Stockholm

Stephen Hawking in Stockholm, August 2015 talking about “Quantum Black Holes”

 

Erste experimentelle Bestätigung der kosmischen Inflation

Vor wenigen Tagen wurde von der US-amerikanischen BICEP2 Kollaboration ein neues, sensationelles Resultat veröffentlicht (siehe: BICEP2 I: Detection Of B-mode Polarization at Degree Angular Scales), was nun endlich bestätigt, was bereits vor über 30 Jahren von Alan Guth postuliert wurde – die kosmologische Inflation. Dabei handelt es sich um eine der frühesten Phasen in der Entwicklung des Universums, die innerhalb eines unvorstellbar kleinen Bruchteils einer Sekunde, nämlich nur 10-30 Sekunden nach dem Urknall stattgefunden haben muss. Innerhalb dieser extrem kurzen Zeit, dehnte sich das Universum um mehr als 25 Größenordnungen, also um den Faktor 1025, aus. Wichtig ist, dass erst durch die Inflation, bisher beobachtete Phänome wie die Homogenität und Geometrie des Universums erklärt werden können.

Obwohl bereits vor einem Jahr von einer anderen Forschergruppe, nämlich der PLANCK Kollaboration, Randbedingungen für mögliche Parameter eines Inflationsmodells veröffentlicht wurden (siehe: Planck 2013 results. XXII. Constraints on inflation), gelang der BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) Kollaboration nun erstmals der direkte, experimentelle Nachweis der Inflation durch die Messung der Polarisation in der Strahlung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds mit dem Südpolteleskop.

Die von BICEP2 durchgeführten Messungen beruhen also auf Beobachtungen der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Dabei handelt es sich um jene Strahlung, die etwa 380 Tausend Jahre nach dem Urknall entstanden ist, als sich das Universum so weit abkühlte (ca. 3000 Kelvin), dass die bis dahin freien Wasserstoffatome und Elektronen rekombinierten. Infolge dessen wurde das Universum erstmals durchsichtig und Photonen konnten entweichen. Diese Photonen füllen bis heute den Raum und sind Boten aus dieser frühen Zeit nur etwa 380 Tausend Jahre nach dem Urknall. Die kosmische Hintergrundstrahlung wurde von verschiedenen internationalen Forschergruppen (COBE, WMAP, PLANCK) in den letzten 25 Jahren exakt vermessen, was entscheidend zum Verständnis unseres heutigen kosmologischen Weltbildes beitrug. Aufgrund der weiteren Expansion, sank die Temperatur bis zum heutigen Zeitpunkt auf etwa 2.7 Kelvin ab, weshalb die Strahlung im Mikrowellenbereich beobachtet werden kann. Es sind aber die Abweichungen von der mittleren Temperatur, die uns Auskunft über die Dichte und Masseverteilung des Universums in dieser frühen Phase geben. Die Temperaturmessungen müssen dabei bis auf wenige Zehn- bis Hunderttausendstel Kelvin genau durchgeführt werden, was enorm hohe Ansprüche an Technik und Datenverarbeitung stellt.

Soweit, so gut. Was aber sagt uns der Mikrowellenhintergrund über die Inflation, die ja wesentlich früher stattgefunden haben muss? Da die Inflation adiabatisch vor sich gegangen sein muss und somit kein Temperaturaustausch stattgefunden haben kann, würde man klassischerweise zunächst nicht erwarten, dass man in der Temperaturstrahlung noch Hinweise auf die Inflation finden kann. Hier kommen nun Graviationswellen ins Spiel, die bereits von Albert Einstein postuliert wurden. Gravitationswellen sind Wellen in der Raumzeit, die durch Bewegung von Materie im Raum entsehen, und dazu führen, dass sich der Raum ständig streckt und staucht. Große Amplituden werden also von massereichen Objekten wie etwa Doppel-Neutronenstern-Systemen erwarten. Dennoch erweist sich der Nachweis bisher äußerst schwierig, da der Streck- bzw. Stauchfaktor einzelner Objekte nur etwa 10-20 entpricht. Es sind aber eben jene Gravitationswellen die während der Phase der Inflation entstanden sein müssen, die auch Spuren im Mikrowellenhintergund hinterlassen, und zwar in der Polarisation desselben. In der Fachsprache werden die durch primordiale Gravitationswellen verursachte Polarisationsmuster auch B-Moden genannt. Eben jene B-Moden konnten nun von der BICEP2 Kollaboration nachgewiesen werden (siehe Abbildung).

BICEP2 B-Modes

Das beobachtete, wirbelartige Muster, entspricht dabei den Vorhersagen aus zuvor durchgeführten Simulationen. Das gefundene Resultat ist also nicht nur ein erster, experimenteller Nachweis der Inflation, sondern gleichermaßen eine weitere Bestätigung des heute gültigen kosmologischen Modells sowie ein indirekter Nachweis der Gravitatiosnwellen.