"Das frühe Universum war möglicherweise ein so gewaltsamer Ort, dass die Raumzeit selbst wie eine "Glasscheibe" zerbrach und Gravitationswellen freisetzte, von denen Astronomen sagen, dass wir sie möglicherweise bereits entdeckt haben.
Diese Brüche hätten Fluten von Gravitationswellen ausgelöst, und ein Team von Astronomen hat entdeckt, dass wir diese Wellen möglicherweise bereits im Gewebe der Raumzeit entdeckt haben.
Das Team, das seine Ergebnisse kürzlich in einem Artikel veröffentlichte, der zur Veröffentlichung im Journal of Computational Astrophysics eingereicht und auf arXiv.org veröffentlicht wurde, behauptet, dass es Beweise für sogenannte Domänenwände im frühen Universum gesehen hat.
Als unser Universum unglaublich jung war, war es auch unglaublich exotisch. Die vier Naturgewalten wurden zu einer einzigen, einheitlichen Kraft verbunden. Wir wissen nicht, wie diese Kraft aussah oder wie sie funktionierte, aber wir wissen, dass, als das Universum abkühlte und sich ausdehnte, diese vereinte Kraft in die vier vertrauten Kräfte zerbrach, die wir heute haben. Zuerst kam die Schwerkraft, dann splitterte die starke Kernkraft ab, und zuletzt spalteten sich die elektromagnetische und die schwache Kernkraft voneinander ab.
Mit jeder dieser Spaltungen formte sich das Universum komplett neu. Neue Partikel entstanden, um diejenigen zu ersetzen, die zuvor nur unter extremen Bedingungen existieren konnten. Die grundlegenden Quantenfelder der Raumzeit, die bestimmen, wie Teilchen und Kräfte miteinander interagieren, haben sich neu konfiguriert. Wir wissen nicht, wie glatt oder grob diese Phasenübergänge abliefen, aber es ist durchaus möglich, dass sich das Universum bei jeder Aufspaltung gleichzeitig in mehrere Identitäten niederließ.
Dieses Brechen ist nicht so exotisch, wie es sich anhört. Es passiert bei allen Arten von Phasenübergängen, wie wenn Wasser zu Eis wird. Verschiedene Wasserflecken können Eismoleküle mit unterschiedlichen Orientierungen bilden. Egal was passiert, alles Wasser verwandelt sich in Eis, aber verschiedene Domänen können unterschiedliche molekulare Anordnungen haben. Wo diese Domänen auf Wände oder Unvollkommenheiten treffen, treten Brüche auf.
Untersuchung des GUT
Physiker interessieren sich besonders für den sogenannten GUT-Phasenübergang unseres Universums. GUT ist die Abkürzung für „Grand Unified Theory“, ein hypothetisches Modell der Physik, das die starke Kernkraft mit Elektromagnetismus und der schwachen Kernkraft verschmilzt. Diese Theorien sind gerade außerhalb der Reichweite aktueller Experimente, daher wenden sich Physiker und Astronomen den Bedingungen des frühen Universums zu, um diesen wichtigen Übergang zu untersuchen.
Der GUT-Phasenübergang, der stattfand, als das Universum nur den Bruchteil einer Sekunde alt war, könnte sehr wohl Domänenwände hinterlassen haben, ein Netzwerk von Grenzen zwischen verschiedenen Konfigurationen der Raumzeit. Diese Mängel konnten jedoch nicht lange anhalten. Hätten sie einige Sekunden oder sogar Minuten angehalten, hätten ihre intensiven Energien den Prozess der Nukleosynthese unterbrochen, der den gesamten ursprünglichen Wasserstoff und Helium im Universum hervorbrachte, oder unsere Bilder des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) verzerrt, die übrig gebliebene Strahlung des Urknalls.
Diese miteinander verbundenen Domänenwände mussten also in andere Teilchen zerfallen – entweder in normale Teilchen wie Elektronen oder Quarks oder in exotischere Teilchen wie irgendeine Form dunkler Materie. In jedem Fall hätte dieser Zerfallsprozess in Verbindung mit der wellenförmigen Bewegung der Domänenwände selbst eine Flut von Gravitationswellen ausgelöst, die bis ins heutige Universum andauern könnte.
Diese Gravitationswellen wären unglaublich schwach und mit bestehenden bodengestützten Gravitationswellenanlagen unmöglich zu erkennen. Aber seit über einem Jahrzehnt suchen mehrere Teams von Astronomen auf der ganzen Welt stattdessen nach Pulsaren, um Gravitationswellen zu kartieren, die durch das Universum schwappen.
Pulsare sind unglaublich präzise Zeitmessgeräte, die in der Lage sind, ihren Rhythmus auf weniger als eine Millionstel Sekunde genau aufrechtzuerhalten. Wenn jedoch eine Gravitationswelle zwischen uns und einer Reihe von Pulsaren hindurchgeht, wird dies die Pulsationsperiode subtil beeinflussen. Indem wir eine große Anzahl von Pulsaren über lange Zeiträume untersuchen, können wir hoffen, Signale eines Hintergrundschäumens von Gravitationswellen zu finden.
Diese Pulsar-Timing-Arrays, wie das NANOGrav-Experiment und das European Pulsar Timing Array, haben bereits Hinweise auf ein Signal gefunden. Die meisten Astronomen glauben, dass dieses Signal auf die kombinierte Aktion von Millionen supermassiver Schwarzer Löcher zurückzuführen ist, die über Milliarden von Jahren miteinander kollidieren.
Doch die neue Studie zeichnet ein anderes Bild. Das Team argumentiert, dass das Signal auch durch den Zerfall von Domänenwänden im frühen Universum erklärt werden könnte. Ihre Modelle ermöglichen es, dass die Domänenwände schnell genug zerfallen, um andere Beobachtungen wie das CMB nicht zu beeinträchtigen, während sie dennoch ein ausreichend starkes Signal liefern, um die Pulsar-Timing-Array-Daten zu erklären.
Da die Signale in den Daten sehr schwach sind und nicht bestätigt werden, dass sie von einer bestimmten Quelle stammen, gibt es Raum für diese Art von radikalem Vorschlag. Das Team argumentiert, dass zukünftige Pulsar-Timing-Messungen in der Lage sein sollten, ihr Modell zerfallender Domänenwände von dem traditionellen Bild kollidierender supermassiver Schwarzer Löcher zu unterscheiden. Wenn ihr Modell genau ist, sollten die Domänenwände auch in normale oder exotische Teilchen zerfallen. In jedem Fall sollte dies mit zukünftigen, viel empfindlicheren CMB-Messungen nachweisbar sein.
Wenn das Ergebnis Bestand hat, ist dies ein großer Gewinn für die Physik: Zum ersten Mal haben wir konkrete Beweise für GUT-Phasenübergänge gefunden und die Anfänge eines neuen Verständnisses der Physik."
