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Ein Selfie vom Urknall

VON MAX RAUNER UND ULRICH SCHNABEL

Partystimmung in der Physik: Ein Teleskop am Südpol liefert Hinweise auf urzeitliche Gravitationswellen. Damit erhält die Suche nach der Weltformel neuen Auftrieb.

Ein Seflie vom Urknall© Johan Swanepoel - iStockphoto.comWas geschah in der ersten Sekunde nach dem Urknall?
Papst Johannes Paul II. und Stephen Hawking hatten einst eine seltsame Unterredung. Der Papst soll den Astrophysiker gebeten haben, den Urknall nicht näher zu erforschen. Denn der sei der Augenblick der Schöpfung und damit ein Werk Gottes. Sofern diese Geschichte - so wie Hawking sie aufschrieb - stimmt, kann man für Johannes Paul II. froh sein, dass er das Jahr 2014 nicht mehr erleben musste: Mit einem Teleskop am Südpol haben amerikanische Astrophysiker tatsächlich Signale von der Geburt des Universums aufgespürt. Und zwar von den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall, genauer: 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 01 Sekunden nach dem Zeitpunkt null. Sollten sie recht behalten, bewahrheitet sich nicht nur die kurioseste Ursprungsgeschichte der Physik. Auch das Projekt Weltformel erhält neuen Schub.

Dementsprechend aus dem Häuschen sind die Astrophysiker. »Wir sehen zum ersten Mal den Urknall selbst«, begeistert sich der Gravitationsphysiker Bernard Schutz vom Albert-Einstein-Institut in Potsdam. »Wenn sich das bestätigt, wird das als eine der größten wissenschaftlichen Entdeckungen in der Geschichte der Wissenschaft gelten«, schwärmt der Kosmologe Max Tegmark vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) und ergänzt: »Wir laufen hier am MIT alle mit einem breiten Lächeln durch die Gegend.« Tegmark hat besonderen Grund zur Freude: Ihm winken nämlich jetzt 100 Dollar. Diesen Betrag hatte er bei einer Konferenz darauf verwettet, dass eines Tages ganz spezifische Überbleibsel des Urknalls entdeckt würden, sogenannte urzeitliche Gravitationswellen. Und genau die will das amerikanische Forscherteam aufgespürt haben.

Auf einer Pressekonferenz am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics präsentierte es Anfang dieser Woche Daten des Mikrowellen-Teleskops Bicep2. Mit diesem Instrument untersuchen die Forscher in der ungestörten Einsamkeit des ewigen antarktischen Eises den Nachhall jenes gewaltigen Big Bangs, mit dem vor knapp 14 Milliarden Jahren die Geschichte unseres Kosmos begonnen haben soll. Vom Urknall zeugt heute noch die kosmische Hintergrundstrahlung im Mikrowellenbereich, die das gesamte Weltall ausfüllt. Eine akribische Analyse dieser Strahlung mit dem Bicep2-Teleskop zeigt jetzt, dass die Geburt des Universums offenbar von heftigen Wehen begleitet war: In den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Knall muss das Universum so heftig gewachsen sein, dass dabei Schockwellen erzeugt wurden, deren Abbild wir bis heute in der Hintergrundstrahlung entdecken können - eine Art Selfie des Urknalls.

Alles auf Anfang

  • Unser Kosmos entstand vor 13,8 Milliarden Jahren. Wie genau, weiß niemand. Daher füllen diverse Theorien diese Wissenslücke. Die Inflationstheorie etwa besagt, dass sich das All in seiner ersten Sekunde gewaltig aufblähte - wobei sogenannte Gravitationswellen entstanden.
  • Raum und Zeit sind keinesfalls so unveränderlich, wie sie uns erscheinen. Gravitationswellen können den Raum sogar kurzzeitig dehnen und stauchen. Dann wackelt die Raumzeit. Das soll sich laut Theorie auch in Experimenten nachweisen lassen - was bisher aber nicht gelang.
  • Am Südpol wurden nun mit dem Bicep2-Teleskop erstmals Spuren solcher Wellen aus der Anfangszeit des Alls gefunden. Sie erlauben - wenngleich indirekt - einen Blick auf die Vorgänge in der ersten Sekunde des Universums. Erhärten sich die Ergebnisse, ist den Forschern der Nobelpreis sicher.

Die Nadel im Heuhaufen

Damit sei das missing link, das »fehlende Glied« der Kosmologie gefunden, sagte der Astrophysiker Marc Kamionkowski auf der Harvard-Pressekonferenz am Montag. Und es sei gleich aus drei Gründen bedeutsam. Zum einen lieferten die Bicep2-Daten das erste Abbild der lange gesuchten Gravitationswellen. Zum Zweiten sei dies der erste direkte Beleg für die Theorie der »kosmischen Inflation«; und zum Dritten zeigten die Daten eine tiefe Verbindung zwischen Quantenphysik und Relativitätstheorie, die bisher noch unverbunden nebeneinanderstehen.

Ganz großes Kino also für Kosmologie-Fans. Kein Wunder, dass sich die Reaktionen fast überschlugen. Nachdem in einschlägigen Blogs schon länger Gerüchte über eine bevorstehende Sensation zirkuliert hatten, war der Livestream der Pressekonferenz binnen Minuten völlig überlastet. Eilig hingehaltene Handys sorgten für alternative Übertragungswege in alle Welt. Währenddessen wurde die Forschungsarbeit bereits auf Twitter gepostet, dabei ist das Paper - anders als sonst üblich - noch nicht einmal bei einer Fachzeitschrift eingereicht, geschweige denn begutachtet. »To be submitted to a Journal TBD« steht oben auf der Arbeit, sinngemäß: Muss noch eingereicht werden - bei irgendeiner Fachzeitschrift.

Alle Experten betonen deshalb, das spektakuläre Ergebnis müsse erst noch von anderen Forschern geprüft und bestätigt werden, bevor es als gesichert gelten könne. Ihnen sitzt noch der Neutrino-Schock von 2011 in den Knochen. Auch damals hatten Physiker eine Sensation verkündet: Neutrinos, so hieß es, bewegten sich schneller als Licht. »Einsteins Relativitätstheorie wankt!«, trompeteten Zeitungen rund um den Globus. Ein halbes Jahr später stellte sich heraus: Bei dem Experiment war ein Kabel locker, der vermeintliche Knüller schrumpfte zum banalen Messfehler. So etwas soll den Bicep2-Forschern auf keinen Fall passieren. Man habe drei Jahre lang alle möglichen Fehlerquellen ausgeschlossen, versichert der Leiter des Experiments, John Kovac. »Das war bei Weitem die gründlichste systematische Analyse, an der ich je beteiligt gewesen bin.«

Es geht ja auch um Fundamentales: Das Ergebnis des Bicep2-Experiments wäre der sicherste Beleg für jene wissenschaftliche Erzählung vom Beginn der Welt, die unter dem englischen Namen inflation (Aufblähung) firmiert. Dieser Theorie zufolge wuchs das Universum in den ersten Sekundenbruchteilen seiner Entstehung so gewaltig an, dass seine Größe innerhalb eines Wimpernschlags um unvorstellbare 30 Zehnerpotenzen anschwoll. (Der Raum etwa, den ein DNA-Molekül eingenommen hätte, wäre während der Inflationsperiode auf das Ausmaß der Milchstraße angewachsen.) Danach expandierte der Kosmos dann ganz gemütlich vor sich hin - bis heute.

So bizarr diese Ende der siebziger Jahre entworfene These auch klingen mag, ihre Verfechter führen dafür einige gute Argumente an. Mit der Inflationstheorie lassen sich nicht nur diverse Probleme des ursprünglichen Urknallmodells lösen, sie steht auch im Einklang mit zahlreichen Messungen von Satelliten und Teleskopen. Nur eines fehlte bislang: ein überzeugender, direkter Beleg dafür. Denn das empirische Wissen der Physiker reichte nie ganz bis zum Zeitpunkt null zurück, sondern nur bis etwa eine Sekunde nach dem Knall. Nicht weiter schlimm, könnte man meinen, die restlichen 13,8 Milliarden Jahre reichen doch. Aber weit gefehlt! Nicht zu wissen, was in der ersten Sekunde passierte, ist ungefähr so, als würde die biblische Genesis erst am Tag zwei beginnen.

Ein Selfie vom Urknall © ZEIT-Grafik Die Evolution des Kosmos
Das ließ Raum für Fantasien. So hat etwa der Theoretiker Paul Steinhardt eine alternative Ursprungsgeschichte ersonnen, jene vom zyklischen Universum. Demnach gibt es nicht nur einen Urknall, sondern immer wiederkehrende Kollisionen mit einem Paralleluniversum. Auch das wäre mit den bisherigen Daten vereinbar - bis auf einen Unterschied: In Steinhardts Kosmos entstehen keine Gravitationswellen. Angesichts der Bicep2-Ergebnisse sieht es daher nun schlecht aus für Steinhardts Alternativtheorie.

Im Lager der Inflationstheoretiker herrscht dafür Partylaune. Auf YouTube kann man live miterleben, wie der Kosmologe Andrei Linde, einer der Schöpfer der Inflationstheorie, erstmals von den Bicep2-Ergebnissen hört - und vor Freude gleich eine Flasche Champagner köpft. Auch gegenüber der ZEIT lässt Linde seiner Begeisterung freien Lauf: Das Ergebnis sei »fantastisch«, schreibt der Kosmologe in einer E-Mail. »Es gibt viele Daten, die die Inflationstheorie stützen, dies ist das letzte Beweisstück für alle Nichtgläubigen.«

Nicht allein die Verfechter der Inflationstheorie sind begeistert. Der britische Astronom Martin Rees hält die Messungen für einen »wichtigen Schritt, um über konkurrierende Theorien zum ultrafrühen Universum zu urteilen«. Der Gravitationsphysiker Bernard Schutz spricht schon vom »Anfang einer neuen Ära: Wir beginnen den Urknall zu verstehen.« Für Schutz ist auch klar: »Wenn das von anderen Gruppen bestätigt wird, ist ein Nobelpreis fällig.«

Was für ein Drama

Welch Stoff für eine abendfüllende Physik-Oper. Denn lange Zeit war nicht einmal klar, ob die geheimnisvollen Schwerewellen überhaupt existieren. Sie sind schließlich keine materiellen Wellen wie etwa Wasser- oder Schallwellen, sondern Änderungen in der Struktur der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Erstmals vorausgesagt wurden sie 1916 von Albert Einstein. In seiner Allgemeinen Relativitätstheorie revolutionierte er - neben vielem anderen - auch das Konzept der guten alten Schwerkraft. Aus seinen Formeln folgerte Einstein: Immer wenn Energie und Materie in Bewegung sind, entstehen auch Schwerewellen, die den Raum periodisch erzittern lassen.

Doch der Meister zweifelte selbst an dieser radikalen Konsequenz aus seiner Theorie. 1936 erklärte Einstein, er habe sich geirrt, die Schwerewellen existierten doch nicht; ein paar Monate später glaubte er dann wieder an sie. Ähnlich gespalten waren die Kollegen. Noch 1962 schrieb der spätere Nobelpreisträger Richard Feynman seiner Frau, der Streit über die theoretische Existenz der Wellen sei schlecht für seinen Kreislauf. Auf einer Konferenz am MIT in Boston im Jahr 1972 waren die Kontrahenten kurz davor, die Debatte mit den Fäusten zu entscheiden.

Mittlerweile ist sicher: Es gibt sie

In den siebziger Jahren gelang amerikanischen Physikern ein erster indirekter Nachweis. Sie beobachteten zwei umeinander kreisende Sterne, die Jahr für Jahr ihre Runden langsamer drehten. Die verlorene Energie musste in Form von Gravitationswellen abgestrahlt werden - eine Folgerung, die 1993 mit dem Nobelpreis belohnt wurde. Was seither allerdings ausstand, war noch immer eine direkte Beobachtung der Schwerewellen.

An dieser Stelle muss auf eine Verwechslungsgefahr hingewiesen werden. Um den Nachweis von Gravitationswellen bemühen sich nämlich derzeit viele Gruppen. In Deutschland, Italien und den USA werden dazu zum Beispiel hochempfindliche Laser-Detektoren betrieben. Sie warten aber nicht auf Wellen vom Urknall, sondern auf jene von explodierenden Sternen oder einander umkreisenden Doppelsternen. Auch diese stauchen und dehnen den Raum und damit alles, was ihnen in die Quere kommt: Sterne, Planeten, Europa, das Kanzleramt, jeden Menschen und jeden Käfer, allerdings nur um winzige Distanzen, weniger als den Durchmesser eines Atomkerns. Das macht die Messung schwierig.

Die urzeitlichen Gravitationswellen von der Geburtssekunde des Universums sind von ganz anderer Natur als jene von explodierenden Sternen (für Liebhaber: Sie entstehen aus Quantenfluktuationen des Gravitationsfeldes selbst). Ihre Schwingungsperiode kann Millionen oder Milliarden von Jahren betragen - deutlich zu lang für jeden Laser-Detektor und für jede Doktorarbeit.

Die Astrophysiker vom Harvard-Smithsonian Center bedienten sich daher eines Tricks. Statt die urzeitlichen Signale direkt aufzuspüren, nahmen sie mit dem Wärmeteleskop Bicep2 die Hintergrundstrahlung des Alls ins Visier. Da diese ein Relikt aus der frühen Phase des Universums ist, lässt sich an ihrer speziellen Strahlungsrichtung (Polarisation) ablesen, unter welchen Bedingungen die Strahlung einst entstand. Eine ganz spezielle Polarisation der Hintergrundstrahlung (im Physikjargon B-modes) ist ein sicherer Hinweis darauf, dass von der ersten Sekunde an urzeitliche Gravitationswellen durch den Kosmos waberten. Just diese B-modes hat das Bicep2-Teleskop nun aufgespürt - und zwar mit so hoher Signifikanz, dass die Forscher selbst davon überrascht sind. »Das war, als ob wir eine Nadel im Heuhaufen suchten und stattdessen eine ganze Brechstange fanden«, berichtet der Bicep2-Forscher Clem Pryke.

Nun lautet die Frage: Was heißt das alles?

Findet sich im Datenwust des Südpol-Teleskops vielleicht auch der Schlüssel zur lange gesuchten »Theorie für alles«? Derzeit ähnelt das Weltbild der Physik einem unfertigen Puzzle, an dem von zwei Seiten gearbeitet wird. Auf der einen Seite puzzeln die Teilchenphysiker. Sie haben im vergangenen Jahr mit dem Higgs-Teilchen ein wichtiges Puzzlestück eingesetzt. Die Theorie, mit der sie die Welt beschreiben, ist die Quantenphysik. Auf der anderen Seite puzzeln Astrophysiker und Kosmologen. Sie beschreiben den Kosmos mithilfe von Einsteins Relativitätstheorie. Die große Frage ist, ob die beiden Hälften des Puzzles am Ende überhaupt zusammenpassen. Die Gravitationswellen aus dem frühen Universum könnten dabei helfen, das Puzzle zu vollenden.

Der Nachweis urzeitlicher Gravitationswellen ist nämlich nicht nur eine späte Bestätigung von Einsteins Theorie. »Das Ergebnis zeigt auch, dass die Gravitation tatsächlich Quanteneigenschaften hat - so wie es Theoretiker lange vorhergesagt haben«, erklärt der Kosmologe Gerhard Börner vom Max-Planck-Institut für Astrophysik. Und diese Eigenschaften zeigen sich vor allem in der ersten Sekunde, denn damals war das Universum so heiß und dicht, dass alle heute bekannten Kräfte zu einer einzigen Urkraft verschmolzen waren, jenseits von Relativitäts- und Quantentheorie. Diese »große vereinheitlichte Theorie« ist seit je das Ziel der Physik: die Beschreibung aller Naturvorgänge mit einer einzigen Theorie, das Projekt Weltformel.

Auf der Suche nach Antworten werden die Theoretiker in nächster Zeit nicht nur das Bicep2-Material genau unter die Lupe nehmen. Mit Spannung warten sie auch auf die Auswertung von Satellitendaten: Denn die europäische »Planck«-Mission hat ebenfalls die Mikrowellenstrahlung vermessen, allerdings vom Weltraum aus. In den kommenden Monaten werden Ergebnisse publiziert. Gut möglich, dass »Planck« ebenfalls Belege für urzeitliche Gravitationswellen gefunden hat und damit Bicep2 aufs Schönste bestätigt. Vielleicht warten dort aber auch kleine Abweichungen vom Erwarteten - oft sind es ja gerade sie, die neuen Theorien auf die Sprünge helfen.

Manche denken noch weiter voraus. Andrei Linde und Max Tegmark etwa sehen in dem Bicep2-Ergebnis nicht nur den Beweis für die Theorie der Inflation, sondern auch für jene der Multiversen. In den riesigen Weiten des Alls, so argumentieren sie, müsse es Paralleluniversen geben mit regelrechten Doppelgänger-Erden. Und vielleicht freuen sich auf einer dieser fremden Erden gerade ein Hawking-Doppelgänger und ein Parallel-Papst über die Fortschritte irdischer Physiker.

Aus DIE ZEIT :: 19.03.2014