Uralte Signale aus dem frühen Universum

Theoretische Physiker der Universität Basel haben erstmals das Signal bestimmter Gravitations­wellen-Quellen berechnet, welches Bruchteile von Sekunden nach dem Urknall entstanden ist. Quelle des Signals ist ein Phänomen namens „Oscillon”. Gravitations­wellen hat bereits Albert Einstein vorhergesagt, tatsächlich nachweisen konnte man sie aber erst im Herbst 2015. Hochsensible Detektoren empfingen damals die Wellen, die bei der Verschmelzung zweier schwarzer Löcher entstanden sind.

Gravitationswellen liefern aber nicht nur Erkenntnisse zu solchen astro­physikalischen Groß­ereignissen, sondern bieten auch Einblick in die Entstehung des Universums selbst. Um mehr über diese Phase des Alls zu erfahren, erforschen Stefan Antusch und sein Team vom Departement Physik der Universität Basel den stochastischen Gravitations­wellen­hintergrund. Dieser Hintergrund besteht aus Gravitations­wellen von sehr vielen Quellen, die sich überlagern und zusammen ein breites Spektrum an Frequenzen ergeben. Die Basler Physiker berechnen Vorhersagen zu den Frequenz­bereichen und zur Stärke der Wellen, die sich dann in Experimenten testen lassen.

Kurz nach dem Urknall war das heute sichtbare Universum noch sehr klein, dicht und heiss. „Man kann sich da etwas in der Größe eines Fussballs vorstellen”, erklärt Antusch. Das gesamte Weltall war auf diesen sehr engen Raum komprimiert und äußerst turbulent. Die Kosmologie geht heute davon aus, dass das Universum damals von dem Inflaton-Teilchen und seinem dazugehörigen Feld dominiert wurde.

Das Inflaton fluktuierte stark und diese Fluktuationen hatten besondere Eigenschaften. Sie bildeten beispiels­weise Klumpen, schwankten also in lokalisierten Bereichen. Diese Bereiche nennt man Oscillons. Man kann sie sich als stehende Wellen vorstellen. „Obwohl die Oscillons schon lange nicht mehr existieren, sind die Gravitations­wellen, die sie ausgesandt haben, allgegen­wärtig – durch sie können wir weiter zurückschauen als jemals zuvor”, sagt Antusch.

Der theoretische Physiker und sein Team konnten in numerischen Simulationen berechnen, wie das Signal der Oscillons, welches nur Bruchteile von Sekunden 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”, erläutert Antusch. Nun sind experimentelle Physiker gefragt, ob sich dieses Signal mit Detektoren tatsächlich nachweisen lässt.

U. Basel / DE