Das extrem junge Universum kann nicht direkt beobachtet werden, lässt sich aber mithilfe mathematischer Theorien rekonstruieren. Physiker der Universitäten Göttingen und Auckland, Neuseeland, haben die Fähigkeit komplexer Computersimulationen, diese frühe Epoche zu beschreiben, wesentlich verbessert. Sie entdeckten, dass sich innerhalb einer Billionstelsekunde nach dem Urknall ein komplexes Netz an Strukturen bilden kann, dessen Eigenschaften der Verteilung von Galaxien im heutigen Universum ähneln. Im Unterschied zu heute sind diese primordialen Strukturen jedoch mikroskopisch klein. Typische Klumpen besitzen nur Massen von einigen Gramm und haben räumliche Ausdehnungen, die geringer sind als diejenigen heutiger Elementarteilchen.
Die Forscher konnten Regionen höherer Dichte beobachten, die durch ihre eigene Schwerkraft zusammengehalten werden. „Das physikalische Raumvolumen, das unsere Simulation repräsentiert, würde millionenfach in ein Proton passen“, sagt Prof. Dr. Jens Niemeyer, Leiter der Arbeitsgruppe für Astrophysikalische Kosmologie der Universität Göttingen. „Es ist wahrscheinlich die größte Simulation des kleinsten Bereichs des Universums, die bisher durchgeführt wurde.“
Obwohl die berechneten Strukturen sehr kurzlebig wären und schließlich in Elementarteilchen „verdampfen“, lassen sich in zukünftigen Experimenten möglicherweise Spuren dieser extremen Frühphase nachweisen. „Die Entstehung solcher Strukturen sowie deren Bewegungen und Wechselwirkungen sollten ein Hintergrundrauschen von Gravitationswellen erzeugt haben“, sagt Benedikt Eggemeier, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Niemeyer und Erstautor der Studie. „Mithilfe unserer Simulationen lässt sich die Stärke dieses Gravitationswellensignals berechnen, welches mit zukünftigen Detektoren messbar sein könnte.“
Die Simulationsergebnisse zeigen das Anwachsen kleiner Überdichten kurz nach der sogenannten Inflationsphase des sehr frühen Universums. Zwischen dem Anfangs- und Endzustand der Simulation (oben links bzw. rechts) expandierte der dargestellte Raum auf das zehnmillionenfache Volumen, ist jedoch noch immer um ein Vielfaches kleiner als das Innere eines Protons. Die vergrößerte Klumpung unten links hat eine Masse von ungefähr 20 Kilogramm. Bild: Jens Niemeyer
Ebenso ist denkbar, dass durch den Kollaps einiger dieser Strukturen winzige schwarze Löcher entstanden. In diesem Fall könnten sie gegenwärtig beobachtbare Konsequenzen haben oder einen Beitrag zur mysteriösen dunklen Materie leisten. „Andererseits,“ sagt Prof. Dr. Richard Easther von der Universität Auckland, „falls die Simulationen die Entstehung schwarzer Löcher vorhersagen und wir sie nicht sehen, haben wir einen neuen Weg gefunden, Modelle des sehr jungen Universums zu testen.“
Weitere Infos auf den Seiten der Uni Göttingen unter https://www.uni-goettingen.de/de/3240.html?id=6207
