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Geheimnisvolle Signale aus einer fernen quantenkosmologischen Vergangenheit

Was passierte bei der Geburt des Weltalls? Wie konnten sich Sterne, Planeten und ganze Galaxien überhaupt bilden? Das sind die Fragen, die Viatcheslav Mukhanov mit seinen Berechnungen zu beantworten versucht. Mukhanov ist Physik-Ordinarius an der LMU und Experte für Theoretische Quantenkosmologie. Und es ist seine Idee der Quantenfluktuationen, die ein entscheidendes Moment in der Startphase des Universums beschreibt: Ohne die Dichteschwankungen, die aus den minimalen Fluktuationen entstehen, lässt sich die spätere Verteilung der Materie und die Bildung von Sternen, Planeten und Galaxien schwerlich erklären.

Jetzt hat das Planck-Konsortium neue Auswertungen von Messergebnissen veröffentlicht. Das Weltraumteleskop hat die kosmische Hintergrundstrahlung vermessen und damit ein Abbild des frühen Universums geliefert. Diese neuen Planck-Daten decken sich exakt mit den Berechnungen des LMU-Kosmologen, etwa für die entscheidende Größe des sogenannten Spektralindexes. „Die Planck-Daten haben die grundlegende Voraussage bestätigt, dass Quantenfluktuationen am Anfang aller Strukturen im Universum stehen“, bekräftigt Jean-Loup Puget, der leitende Wissenschaftler des HFI-Instruments der Planck-Mission. „Besser könnte meine Theorie nicht bestätigt werden“, sagt Mukhanov. Schon 1981 hatte der Wissenschaftler, seit 1997 an der LMU, seinen Ansatz erstmals publiziert.

Spuren aus ferner Vergangenheit

Dass auch die Quanten im frühen Universum gewissen Fluktuationen unterlegen haben müssen, ergibt sich für Mukhanov aus der Heisenbergschen Unschärferelation. Sie besagt, dass sich Ort und Impuls eines Teilchens nicht exakt angeben lassen. Aus den submikroskopisch winzigen Fluktuationen entstanden makroskopische Dichteschwankungen. Ohne diesen Mechanismus, dessen genaue Ausprägung und Größenordnung Mukhanov berechnet, ließe sich die Verteilung von Materie im heutigen Universum nicht vorhersagen.

Die neuen Planck-Datensätze sind noch detaillierter und aussagekräftiger als die ersten Auswertungen, die vor knapp zwei Jahren veröffentlicht wurden. Mit niemals zuvor erreichter Präzision zeigen sie die Muster, mit denen sich die Fluktuationen in die Strahlung des jungen Universums eingebrannt haben. Als eine Botschaft aus ferner Vergangenheit können Teleskope wie Planck sie heute – 13,8 Milliarden Jahre später – als Mikrowellenstrahlung einfangen. So geben die Planck-Messungen Aufschluss über die Geburt des Weltalls.

Gravitationswellen nicht beglaubigt

Die Existenz von sogenannten primordialen Gravitationswellen konnten die Planck-Daten indes nicht zeigen. Diese weiteren lange gesuchten Signale des fernen Urknalls meinte das BICEP2-Team aus seinen Daten herauslesen zu können, das Teleskop vermisst von der Antarktis aus die kosmische Hintergrundstrahlung. Im März 2014 meldete das Team seine sensationelle Entdeckung – vorschnell, wie sich bald herausstellte. Und soeben veröffentlichten Planck- und BICEP2-Forscher gemeinsam einen Abgleich ihrer Daten, der keinen Nachweis der Gravitationswellen erbrachte. LMU-Forscher Mukhanov hatte schon im Frühjahr 2014 erklärt, dass die Ergebnisse von BICEP2 und Planck nicht gleichzeitig stimmen können. „Gravitationswellen mag es trotzdem geben“, sagt der LMU-Wissenschaftler. „Aber unsere Messgeräte sind offenbar noch nicht genau genug.“ Doch unabhängig davon, ob ein tatsächlicher Nachweis der Gravitationswellen gelingt: Ohne den Mechanismus der Quantenfluktuation, ergänzt Mukhanov, kommt kein Modell aus, das erklären soll, was unmittelbar nach dem Urknall geschah. (Quelle: idw)

Buchtipp:
Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Einsteins “spukhafte Fernwirkung” besteht ihren strengsten Test

Anton Zeilinger (Foto: Jaqueline Godany)

Albert Einstein äußerte Bedenken an der damals jungen Quantenmechanik. Von ihm als “spukhafte Fernwirkung” bezeichnet, hat die quantenmechanische Verschränkung dank der Forschungsgruppe um Rupert Ursin und Anton Zeilinger an der Universität Wien sowie am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation ihren bisher strengsten Test bestanden.

Die Idee

Albert Einstein hat in einem im Jahr 1935 veröffentlichten Artikel Bedenken an der damals jungen Quantenmechanik wegen ihrer verrückten Vorhersagen angemeldet. Eine der Besonderheiten geht auf den österreichischen Physiker Erwin Schrödinger zurück und behauptet, dass es verschränkte Teilchenpaare gibt, deren Wechselbeziehung auch über große Distanzen stärker ist als es klassische physikalische Gesetze erlauben. Diese quantenmechanische Verschränkung wurde seither in zahlreichen Versuchen getestet, wobei sich die Vorhersagen der Quantenphysik bisher stets bestätigt haben. Aber es blieb immer noch gewisse Lücke offen. Die Quantengruppe um Rupert Ursin und Anton Zeilinger an der Universität Wien sowie am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften hat nun auf den Kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa das bislang überzeugendste Experiment durchgeführt.

Nichtsdestotrotz gibt es anhaltende Bemühungen, Versuchsergebnisse an verschränkten Teilchen nicht quantenphysikalisch, sondern innerhalb eines klassischen (lokal realistischen) Weltbildes zu beschreiben. Dann muss man aber den Teilchen verborgene Eigenschaften zuschreiben und ferner die Hypothese aufstellen, dass es zwischen den am Experiment eingesetzten Apparaten, der Quelle der Teilchen und den Teilchen selbst eine verborgene Kommunikation gibt.

Die Umsetzung

Die Forscher erzeugten auf La Palma quantenmechanisch verschränkte Paare von Lichtquanten. Von jedem Paar blieb ein Lichtquant in einer Glasfaser in La Palma, während das andere 144 Kilometer über den Atlantik nach Teneriffa geschickt und mit einem Teleskop der Europäischen Weltraumagentur ESA aufgefangen wurde. An beiden Orten wurden dann an den Teilchen Messungen durchgeführt, die erst im allerletzten Augenblick nach einem Zufallsprinzip festgelegt wurden.

Weil keine Information schneller als die Lichtgeschwindigkeit übertragen werden kann, gab es keine Chance, dass eine Seite wissen konnte, was an der anderen gemessen wurde. Ebenso wurde sichergestellt, dass die Quelle bei der Aussendung der Teilchen nicht wissen konnte, was an ihnen gemessen wird noch umgekehrt konnten die gewählten Messungen die Teilchen bei der Aussendung beeinflussen.

Durch den Einsatz modernster Technologien wurde es somit möglich, jeglichen potentiellen Informationsaustausch zwischen der Teilchenquelle und den Zufallsgeneratoren, die die Messgrößen auswählen, zu verhindern. “Durch eine sorgsame räumliche Anordnung aller Apparaturen und präzise zeitliche Abfolge der Teilchenpaarerzeugung, der Wahl der Messgrößen sowie der Messungen selbst konnten erstmals jedwede verborgene Kommunikation ausgeschlossen und die damit verbundenen Schlupflöcher geschlossen werden“, erklärt Johannes Kofler, Mitautor der Studie.

Die quantenmechanische Verschränkung, die von Albert Einstein als “spukhafte Fernwirkung” angezweifelt wurde, hat somit ihren bisher strengsten Test bestanden. Alle weiteren Experimente müssen nun auf den Ideen und Konzepten dieses Experiments aufbauen. “Diese Ergebnisse untermauern auch die Sicherheit der Quantenkryptographie und ähnlicher Verschlüsselungsverfahren”, so Anton Zeilinger [siehe Foto]. (Quelle: idw , Foto: Jaqueline Godany)

Dunkler Materie auf der Spur

Projezierte Dichte der Dunklen Materie in einer simulierten Galaxie mit der Größe der Milchstraße. Myriaden von Klumpen aus Dunkler Materie kreisen in dem Halo der Galaxie. Ihre dichten Zentren strahlen energiereiche Gammastrahlung ab, die durch gegenseitige Vernichtung von Teilchen der Dunklen Materie erzeugt wird.Bild: Max-Planck-Institut für Astrophysik

Supercomputer berechnen, wo Astrophysiker gezielt suchen müssen

Ein internationales Team von Astrophysikern, das Volker Springel vom Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) in Garching leitet, hat jetzt mithilfe eines der größten Supercomputer Europas gezeigt, wohin das neueste Satellitenobservatorium der Nasa blicken muss, um die geheimnisvolle Dunkle Materie im Universum zu entdecke.

Das Fermi-Teleskop, das schon seit einigen Monaten den Himmel nach Gammastrahlen durchsucht, könnte in den nächsten Jahren ein schwaches Glimmen der Dunklen Materie aufspüren. Während deren Gravitationswirkung bereits vor über 75 Jahren entdeckt wurde, bleibt die Dunkle Materie bis heute für alle Teleskope unsichtbar, obwohl sie rund 85 Prozent aller kosmischen Materie ausmacht. Unter den richtigen Bedingungen könnte diese neue Art von Elementarteilchen genügend Gammastrahlen produzieren, um vom Fermi-Teleskop entdeckt werden zu können. Darüber hinaus soll der Teilchenbeschleuniger “Large Hadron Collider” (LHC) in der Nähe von Genf Belege dafür finden.

Aber wohin soll das Fermi-Teleskop ausgerichtet werden, um die Gammastrahlen-Signatur der Dunklen Materie zu sehen? Astrophysiker aus Deutschland, Großbritannien, Kanada und den Niederlanden, die sich zum “Virgo-Konsortium” zusammengeschlossen haben, simulierten jetzt mithilfe eines extrem leistungsfähigen Supercomputers am Leibniz-Rechenzentrum in Garching die Entstehung der Strukturen Dunkler Materie, die eine Galaxie wie unsere Milchstraße umgeben. Solche Halos sind mehr als eine Billion Mal so massiv wie unsere Sonne und stellen die Grundeinheiten der kosmischen Struktur dar.

Der Halo der Milchstraße entstand vermutlich durch eine Reihe gewaltiger Kollisionen viel kleinerer Klumpen, die aus dem Urknall hervorgingen, und dann verschmolzen. Die meisten davon wurden auseinandergerissen, aber einige haben den Prozess überstanden. Die größten davon beherbergen heute bekannte Satellitengalaxien wie die Magellanschen Wolken oder die Sagittarius-Zwerggalaxie. Andere Klumpen waren zu klein, als dass Sterne aus ihnen hätten entstehen können. Astronomen vermuten aber, dass sie sich immer noch im Halo unserer Galaxie verbergen, wenngleich kein Teleskop sie bisher entdeckt hat.

Gammastrahlen werden in Regionen mit einer hohen Dichte von Dunkler Materie erzeugt, wenn die Teilchen zusammenstoßen und zerstört werden. Viele Kosmologen gehen bisher davon aus, dass das Fermi-Teleskop nach Gammastrahlen aus den Trabanten der Milchstraße suchen solle, da deren Zentren sehr dicht sind. Die Simulationen des Virgo-Teams zeigen aber, dass dies nicht der beste Ort für die Suche ist. Die sorgfältigen Berechnungen der Wissenschaftler belegen, dass Signale am leichtesten in Regionen der Milchstraße entdeckt werden könnten, die zwar innerhalb der Umlaufbahn der Sonne um das galaktische Zentrum, aber nicht zu nah an diesem liegt.

Auf der Suche nach Gammastrahlen

Genau ins Zentrum zu blicken, wäre eine schlechte Strategie für das Fermi-Teleskop. Das Signal könnte dabei durch Gammastrahlen von anderen Quellen, wie beispielsweise den Überbleibseln von Supernovae oder von Gaswolken gestört werden, in denen sich Sterne bilden. Stattdessen empfehlen die Wissenschaftler, 10 bis 30 Winkelgrade außerhalb des Zentrums zu suchen. Die Dunkle Materie sollte dort in einem sich gleichmäßig verändernden und charakteristischen Muster leuchten.

“Wenn das Teleskop tatsächlich die vorausberechnete Emission aus dem gleichmäßigen inneren Halo der Milchstraße entdeckt, dann könnte es, wenn wir Glück haben, auch Gammastrahlen aus kleinen (und ansonsten unsichtbaren) Klumpen von Dunkler Materie sehen, die zufällig besonders nah an der Sonne liegen”, sagt Volker Springel, der die Rechnerkalkulation überwachte. Diese Klumpen werden deutlich lichtschwächer sein als der Haupthalo, könnten aber dennoch entdeckt werden. Die bekannten Satellitengalaxien würden ebenfalls in Gammastrahlen sichtbar sein, obwohl ihre Entdeckung aufgrund ihres größeren Abstandes noch schwieriger ist.

Die Simulation benötigte insgesamt 3,5 Millionen Rechnerstunden. “Mitunter glaubte ich, sie wird nie fertig”, sagt Volker Springel.

“Diese Berechnungen erlauben uns endlich, zu sehen, wie die Verteilung der Dunklen Materie nahe der Sonne aussehen sollte”, erklärt Simon White, Direktor am Max-Planck-Institut für Astrophysik. “Das Rätsel um die Dunkle Materie zu lösen, wäre eine der größten wissenschaftlichen Leistungen unserer Zeit. Es ist bemerkenswert, dass sogar theoretische Fortschritte auf einem so wichtigen Gebiet jetzt in internationaler Zusammenarbeit erzielt werden”, sagt Carlos Frenk, Direktor des Institute for Computational Cosmology an der Durham University. (Quelle: idw)

Dunkle Energie: größtem Rätsel der Astrophysik auf der Spur

Video: Dunkle Materie dunkle Energie

Ist die Dunkle Energie der fundamentale Baustein des Universums oder ist es Bewusstsein, wie im Buch “Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen” dargestellt? Oder hängt beides womöglich zusammen? Das astrophysikalische Institut in Potsdam (AIP) wird ab 2010 verstärkt nach der geheimnisvollen dunklen Energie fahnden und zur Lösung der Rätsel durch einen innovativen Multikanalspektrographen beitragen.

(idw), Am dunklen Nachthimmel über West-Texas beobachtet das 9.2m große Hobby-Eberly Teleskop (HET) des McDonald Observatoriums die Tiefen des Weltalls. Es ist einem der größten Rätsel der Astrophysik auf der Spur: der sogenannten “Dunklen Energie”, einem Phänomen das eng mit der Zukunft unseres Weltalls verknüpft ist. Die Wissenschaftler wollen nun durch die Vermessung von Millionen Galaxien erstmals Näheres über die Eigenschaften der mysteriösen Dunklen Energie in Erfahrung bringen . Ein speziell am Astrophysikalischen Institut Potsdam (AIP) entwickeltes Glasfaserbündel ermöglicht die gleichzeitige Erfassung und Spektroskopie von hunderten von Punkten eines Himmelsauschnitts für dieses ehrgeizige Projekt. Um die Entfernungen zu den Galaxien bestimmen zu können, müssen die Astronomen diese Objekte nicht nur finden, sondern ihr Licht auch spektroskopisch analysieren, d.h. in seine Anteile verschiedener Wellenlängen zerlegen. Dafür wird das Teleskop mittels des Faserbündels an einen leistungsfähigen Multikanalspektrographen (genannt VIRUS) angeschlossen. Ein Prototyp des VIRUS Faserbündels und des Spektrographen wurde nun erstmals erfolgreich am Teleskop eingesetzt. Ab 2010 soll eine großräumige Durchsuchung des Himmels beginnen.

“Wenn es gelingt, die statistische Verteilung von entfernten Galaxien in Raum und Zeit zu bestimmen, so lässt dies Rückschlüsse auf die Natur der Dunklen Energie zu”, erklärt Andreas Kelz, der als Wissenschaftler des AIP an der Entwicklung des Instruments beteiligt ist. Bis vor kurzen glaubten Astronomen, dass es für das Schicksal des Universums zwei mögliche Szenarien gibt: Entweder enthält das Universum so viel Materie, dass ihre Anziehungskraft die gegenwärtig zu beobachtende Ausdehnung bremst und das Universum letztendlich in sich kollabieren läßt, oder die Expansion geht, wenn auch verlangsamt, unendlich weiter.

Neuere Beobachtungen hingegen legen nahe, dass sich das Universum vielmehr beschleunigt ausdehnt, es also eine Art Anti-Schwerkraft gibt, welche das Universum auseinandertreibt. Diese ‘Dunkle Energie’ genannte Kraft ist noch völlig unverstanden, auch wenn angenommen wird, dass sie 70% der Gesamtenergie des Universums ausmacht.
“Die Idee einer Energie, welche der Schwerkraft entgegenwirkt ist nicht neu.”, berichtet Matthias Steinmetz, wiss. Vorstand des AIP und Co-Ermittler. “Bereits Einstein postulierte sie 1920, hatte seine kosmologische Konstante dann aber wieder als ‘größte Eselei’ seines Lebens verworfen. Durch die aktuellen Messungen bekommt sie aber wieder neue Brisanz.”