Warum ist unser Universum nicht kollabiert?

Kosmisches Paradox: Glaubt man britischen Physikern, dürfte unser Universum gar nicht existieren. Denn es wäre schon Sekundenbruchteile nach dem Urknall wieder kollabiert – wenn die BICEP2-DAten zur HIntergrundstrahlung stimmen würden. Nach Ansicht der Forscher bedeutet dies: Entweder die Daten und Schlussfolgerungen zur Inflation sind fehlerhaft, oder aber es gab im frühen Universum Teilchen und Kräfte, die in unserem Standardmodell bisher nicht vorkommen.

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Direkt nach dem Urknall dehnte sich unser Universum innerhalb von Sekundenbruchteilen enorm aus. Diese Phase der kosmischen Inflation erklärt viele heute beobachtbare Phänomene im Weltall, blieb aber lange eine umstrittene Theorie. Im März 2014 jedoch stießen Astronomen mit Hilfe des BICEP2-Teleskops in der Polarisation der Kosmischen Hintergrundstrahlung erstmals auf ein direktes Signal aus dieser turbulenten Phase: Die damals durch die Inflation verursachten Gravitationswellen hatten spezifische Muster in der Schwingungsrichtung der Strahlung hinterlassen.

Tumult im frühen Kosmos

Als Triebkraft für die Inflation gelten je nach Modell ein oder mehrere Skalarfelder, deren Energie der ungeheuren Anziehungskraft der Urmaterie entgegenwirkte und das Universum so quasi auseinanderschleuderte. Die genauen Mechanismen sind bisher allerdings ungeklärt – ebenso die Wechselwirkung der Inflation mit anderen Skalarfeldern wie dem Higgsfeld. Dieses Feld ist es gängiger Theorie nach, das allen Materieteilchen eine Masse verleiht. Als Beleg dafür gilt die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 am Teilchenbeschleuniger LHC des CERN.

Physiker um Robert Hogan vom King’s College London haben nun untersucht, ob und wie die kosmische Inflation das Higgsfeld beeinflusst haben könnte – und kamen dabei zu einer verblüffenden Erkenntnis: Eigentlich dürfte es unser Universum heute gar nicht geben. Denn nach den Daten der BICEP2-Messungen müsste die kosmische Inflation enorme Energiefluktuationen im frühen Universum ausgelöst haben, die sich als Gravitationswellen bemerkbar machten.

Vom Sockel gestoßen

Aus der Teilchenphysik aber ist bekannt, dass das Higgsfeld bei Energiedichten oberhalb eines bestimmten Wertes seinen metastabilen Zustand verlässt und auf ein Minimum fällt, wie die Forscher erklären. Das ist vergleichbar einer Kugel, die von einer Senke in einem Berghang endgültig ins Tal rollt.

Wenn das aber während der Inflation passiert wäre, dann hätte unser Universum schon Sekundenbruchteile nach dem Urknall wieder in sich zusammenfallen müssen. Oder, wie es die Physiker ausdrücken: „Am Ende der Inflation oder kurz davor müsste das Higgsfeld in einen instabilen Minimum-Zustand rollen“, so Hogan und sein Kollege Malcolm Fairbairn. „Das aber ist inakzeptabel, denn wenn dies geschehen wäre, könnten wir heute nicht hier sein und darüber diskutieren.“

Messfehler oder völlig neue Physik?

Wie aber lässt sich dieses scheinbare Paradox auflösen? „Wir wissen, es muss irgendeinen physikalischen Weg geben, der das Higgsfeld davon abhält, in das Minimum zu rollen“, so die Physiker. Noch ist unklar, worum es sich dabei handeln könnte. Möglich wäre aber, dass Higgsfeld und Inflatonfeld auf irgendeine Weise so miteinander verkoppelt waren, dass das Higgsfeld vor dem Abrutschen bewahrt wurde, wie die Forscher vorrechnen.

Es könnte aber auch sein, dass bestimmte Elementarteilchen wie die Top-Quarks eine andere Masse haben als angenommen – oder dass sogar noch weiter, bisher unbekannte Teilchen existieren. „Wenn sich die BICEP2-Daten weiterhin als korrekt erweisen, dann hätte dies spannende neue Auswirkungen auf die Teilchenphysik und unsere Sicht des Standardmodells“, so Hogan und Fairbairn. Inzwischen allerdings mehren sich die Hinweise darauf, dass die BICEP2-Daten vielleicht doch nicht das Signal der Inflation aufgefangen haben. Es darf also weiter gerätselt werden. (Physical Review Letters, 2014; doi: 10.1103/PhysRevLett.112.201801)

(Royal Astronomical Society (RAS), 25.06.2014 – NPO)