Auf einer Konferenz in Japan vor einigen Jahren David Dunsky nahm an einem Vortrag über Gravitationswellen teil, Wellen im Raum-Zeit-Gefüge, die entstehen, wenn massive Objekte wie Sterne und Schwarze Löcher beschleunigt werden.

Dunsky war zu dieser Zeit ein Doktorand der Teilchenphysik und seine Interessen lagen offenbar woanders. Teilchenphysiker suchen nach der grundlegenderen Wahrheit, die den uns bekannten physikalischen Regeln zugrunde liegt. Um ihre Ideen zu testen, nutzen sie seit langem hochenergetische Teilchenbeschleuniger. Durch das Zusammenschlagen von Teilchen mit unvorstellbaren Energien können diese Wissenschaftler die Bausteine ​​der Bausteine ​​entdecken – die hochenergetischen Phänomene, die auf kurzen Distanzskalen auftreten. Diese Phänomene erzählen uns auch von den frühesten Momenten des Universums, als es winzig, dicht und unglaublich heiß war.

Aber Dunsky erfuhr bei dem Vortrag, dass zukünftige Gravitationswellenobservatorien wie die vorgeschlagene Laser Interferometer Space Antenna (LISA) zur Untersuchung der Hochenergiephysik eingesetzt werden könnten. LISA wäre in der Lage, hypothetische Objekte zu entdecken, die als kosmische Strings bezeichnet werden, riesige Stränge konzentrierter Energie, die während der Geburt des Universums entstanden sein könnten. „Ich war begeistert von dem Versuch, Gravitationswellensignale aus dem frühen Universum zu verstehen“, sagte Dunsky, der heute Kosmologe und Teilchenphysiker an der New York University ist, „und wie sie uns etwas über die Physik sehr, sehr hoher Energie, die möglicherweise weit entfernt ist, verraten könnten.“ über das hinaus, was wir derzeit mit einem Collider erkennen können.“

Seine Hinwendung zu Gravitationswellen als Weg nach vorn in der Teilchenphysik ist ein Beispiel für ein wachsendes Interesse am zukünftigen LISA-Experiment und möglicherweise für einen umfassenderen Wandel. Zwölf Jahre sind seit der letzten großen Entdeckung an einem Teilchenbeschleuniger vergangen. Die Entdeckung des Higgs-Bosons am Large Hadron Collider (LHC) im Jahr 2012 vervollständigte das Standardmodell der Teilchenphysik, die vorherrschende Theorie der bekannten Elementarteilchen und Kräfte. Und obwohl sich Theoretiker inzwischen eine ganze Reihe möglicher Theorien zur Erweiterung des Standardmodells ausgedacht haben, ist es nicht klar, ob wir Collider bauen können, die diese Ideen testen können.

„Die Leute reden darüber, in den nächsten 50 Jahren Kollider zu bauen, die energetisch zehnmal leistungsstärker sind als der LHC“, sagte er Raman-Sundrum, ein theoretischer Teilchenphysiker an der University of Maryland. Um jedoch große einheitliche Theorien zu testen, die die drei Kräfte des Standardmodells auf eine einzige zugrunde liegende Kraft zurückführen, die in kürzeren Entfernungen wirkt, „scheint man einen Collider zu benötigen, der zehn Milliarden Mal so viel Energie wie der LHC hat“, sagte er.

Was wir in einem Collider nicht produzieren können, können wir möglicherweise in der Natur beobachten. Antworten könnten insbesondere in den Gravitationsechos von Prozessen liegen, die sich in den ersten Momenten der Schöpfung abspielten, als das Universum so energiegeladen war, dass die Physik jenseits des Standardmodells vorherrschte.

Das ist die Hoffnung von Teilchenphysikern wie Dunsky und Sundrum, die nun auf LISA setzen, um ihre Theorien zu testen. Das Missionskonzept wurde erstmals in den frühen 1980er Jahren entwickelt und im folgenden Jahrzehnt offiziell der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) vorgeschlagen. Das Projekt wurde eine Zeit lang in Zusammenarbeit mit der NASA verfolgt, doch 2011 schieden die Amerikaner aus Budgetgründen aus und zwangen Europa zu einem Alleingang. Im Januar dieses Jahres erhielt LISA jedoch endlich grünes Licht von der ESA, die nun Industriepartner findet, um mit dem Bau zu beginnen. Die Ankündigung erfolgte nach dem durchschlagenden Erfolg der Pilotmission LISA Pathfinder in den Jahren 2015 und 2016, bei der die Schlüsseltechnologien des zukünftigen Observatoriums getestet wurden.

LISA soll nun in den 2030er Jahren fliegen. Vier Jahre lang wird seine Anordnung aus drei Satelliten in einem gleichseitigen Dreieck mit einem Durchmesser von mehreren Millionen Meilen durch den Weltraum rasen und Laser von den goldenen Würfeln abprallen lassen, die in jedem Raumschiff im perfekten freien Fall gehalten werden, um nach Wellen in der Raumzeit zu suchen.

„Zum ersten Mal könnten wir tatsächlich etwas direkt aus dieser sehr frühen Epoche des Universums erhalten“, sagte er Isabel Garcia Garcia, Teilchenphysiker und Kosmologe an der University of Washington. Wenn LISA tatsächlich ursprüngliche Gravitationswellen auffangen kann, fügte sie hinzu, wird dies unser erster Blick auf die ersten Momente des Kosmos sein. „Aus Sicht der Teilchenphysik ist das natürlich unglaublich spannend.“

Glückliche LISA

Sollte es LISA tatsächlich irgendwann im nächsten Jahrzehnt gelingen, ursprüngliche Gravitationswellen zu entdecken, wird dies einem außergewöhnlichen kosmischen Glücksfall zu verdanken sein.

Kein Teleskop wird jemals die ersten Momente der Schöpfung offenbaren. Teleskope blicken in die Vergangenheit des Universums, indem sie Licht erkennen, das von weit her kommt. Doch die ersten 380,000 Jahre nach dem Urknall verbergen sich hinter einer Art kosmischen Vorhang. Damals war das Universum mit ionisiertem Plasma gefüllt, das Photonen streute und es für Licht undurchlässig machte.

Im Gegensatz zu Licht konnten sich Gravitationswellen im frühen Universum ungehindert bewegen. Bestehende bodengestützte Observatorien wie LIGO und Virgo reagieren wahrscheinlich nicht empfindlich auf diese Urwellen. Aber LISA konnte vielleicht hören, was auf der Bühne geschah, bevor sich der kosmische Vorhang hob.

„Es ist, als würde man etwas im Nebel hören“, sagte Sundrum.

Wie bodengestützte Gravitationswellenobservatorien wird LISA Wellen in der Raumzeit erkennen, indem es mithilfe von Lasern die Entfernung entlang seiner „Arme“ präzise misst – in diesem Fall die Linien im leeren Raum zwischen den drei Raumfahrzeugen in seiner dreieckigen Konstellation. Wenn eine Gravitationswelle vorbeizieht, dehnt und kontrahiert sie die Raumzeit. Dadurch entsteht ein geringfügiger Unterschied in den Armlängen von LISA, den das Instrument erkennen kann, indem es die Fehlausrichtung der Spitzen und Tiefen seiner Laserstrahlen verfolgt. Entfernt von der lauten Umgebung der Erde wird LISA weitaus empfindlicher sein als bestehende Interferometer wie LIGO, das zur Erkennung von Kollisionen von Schwarzen Löchern und Neutronensternen eingesetzt wurde. Es wird auch viel größer sein; Jeder seiner Arme wird fast 400-mal länger sein als der Erdradius.

Dennoch sind die Abstandsänderungen, die LISA wahrnimmt, äußerst gering – etwa 50-mal kleiner als ein Atom. „Es ist ein ziemlich verrücktes Konzept, wenn man darüber nachdenkt“, sagte er Nora Lützgendorf, Astrophysiker bei der ESA und LISA-Projektwissenschaftler.

Die Größe und Empfindlichkeit von LISA ermöglichen die Beobachtung von Gravitationswellen, die viel länger sind als diejenigen, die mit bodengestützten Interferometern beobachtet werden können. LIGO kann Gravitationswellen mit Wellenlängen zwischen etwa 30 und 30,000 Kilometern erfassen, LISA kann jedoch Wellen mit einer Länge von einigen hunderttausend Kilometern bis zu einigen Milliarden Kilometern erfassen. Dadurch kann LISA astrophysikalische Ereignisse abhören, die bodengestützte Observatorien nicht „hören“ können, wie etwa die Verschmelzung supermassereicher Schwarzer Löcher (im Gegensatz zu sterngroßen Schwarzen Löchern). Und das Wellenlängenband von LISA hat zufällig auch genau die Größe, die Physiker von Gravitationswellen erwarten, die in den ersten Augenblicken nach dem Urknall erzeugt werden.

Die Hochenergiephysik im frühen Universum erzeugte Gravitationswellen, und als sich das Universum ausdehnte und der Raum sich ausdehnte, vergrößerten sich diese Wellen zu enormen Ausmaßen. LISA ist einfach perfekt darauf vorbereitet, die Wellen der ersten 10 zu erwischen^-17 zu 10^-10 Sekunden nach dem Urknall – praktisch am Anfang der Zeit. Das kurze Ende dieser Spanne, 10^-17 Sekunden ist ein Zeitraum, der so kurz ist, dass er ungefähr so ​​oft in eine Sekunde passen würde, wie Sekunden in das Alter des Universums passen.

„Da ist dieser Zufall“, sagte er Chiara Caprini, ein theoretischer Kosmologe an der Universität Genf und am CERN. Es gibt eine Übereinstimmung zwischen „dem Frequenzband der LISA-Detektion und dieser besonderen Epoche in der Entwicklung des Universums, die die Grenze unseres Wissens über die Teilchenphysik markiert.“

Jenseits des Standardmodells

Bis zu dieser Grenze erklärt das Standardmodell hervorragend, wie sein Schwarm aus 17 Elementarteilchen mit drei Kräften interagiert: der elektromagnetischen Kraft, der starken Kernkraft und der schwachen Kernkraft. Doch trotz der enormen Erfolge denkt niemand, dass diese Teilchen und Kräfte das A und O der Existenz sind.

Die Theorie hat ihre Mängel. Zum Beispiel die Masse des Higgs-Bosons – die Komponente des Standardmodells, die die Massen anderer Teilchen bestimmt – ist frustrierend „unnatürlich“..“ Es erscheint willkürlich und im Vergleich zu den weitaus größeren Energieskalen des Universums rätselhaft klein. Darüber hinaus bietet das Standardmodell keine Erklärung für die Dunkle Materie und auch nicht für die geheimnisvolle dunkle Energie das treibt die beschleunigte Expansion des Weltraums voran. Ein weiteres Problem besteht darin, dass sich Antimaterie und Materie unter den drei Kräften des Standardmodells genau gleich verhalten – was offensichtlich nicht die ganze Wahrheit ist, da Materie das Universum dominiert. Und dann ist da noch die Schwerkraft. Das Standardmodell ignoriert die vierte fundamentale Kraft vollständig, die mithilfe einer eigenen, maßgeschneiderten Theorie, der Allgemeinen Relativitätstheorie, beschrieben werden muss.

„Viele Theoretiker wie ich haben versucht, das Standardmodell ein wenig zu komprimieren und zu erweitern“, sagte Pierre Auclair, theoretischer Kosmologe an der Katholischen Universität Löwen in Belgien. Aber ohne experimentelle Beweise, mit denen man sie überprüfen könnte, bleiben diese erweiterten Theorien, nun ja, theoretisch.

Auclair ist Theoretiker. „Aber trotzdem versuche ich, so viel wie möglich mit Experimenten in Verbindung zu kommen“, sagte er. Das ist einer der Gründe, warum er sich zu LISA hingezogen fühlte. „Diese Erweiterungen führen normalerweise zu unterschiedlichen Extremereignissen im frühen Universum“, sagte er.

Garcia Garcia sagte ebenfalls, dass LISAs Versprechen, Beobachtungsnachweise für die Hochenergiephysik zu liefern, sie dazu veranlasst habe, ihre Karriere zu überdenken – Gravitationswellen könnten „das frühe Universum auf eine Weise erforschen, wie es kein anderes Experiment kann“, sagte sie. Vor einigen Jahren begann sie mit der Erforschung von Gravitationswellen und der Frage, wie die Physik jenseits des Standardmodells dazu führen würde, dass Fingerabdrücke von LISA erkannt werden könnten.

Letztes Jahr, Garcia Garcia und ihre Kollegen veröffentlichte Arbeit über die Gravitationswellensignatur von Blasenwänden – energetische Barrieren zwischen Raumtaschen, die beim Abkühlen des Universums in verschiedenen Zuständen gefangen wurden. Diese Abkühlung erfolgte, als sich das Universum ausdehnte. So wie Wasser kocht und sich in Dampf verwandelt, durchlief das Universum Phasenübergänge. Im Standardmodell verlief der Phasenübergang, bei dem sich eine einzelne „elektroschwache“ Kraft in separate elektromagnetische und schwache Kräfte aufspaltete, relativ reibungslos. Aber viele Erweiterungen der Theorie sagen heftige Ereignisse voraus, die die kosmische Suppe schaumig und unruhig machten, sagte Dunsky, der auch topologische Defekte wie Blasenwände untersucht.

Quantenfelder, die unser Universum durchdringen, haben Zustände minimaler Energie oder Grundzustände. Und als das Universum abkühlte, entwickelten sich neue Grundzustände mit niedrigerer Energie, aber ein bestimmtes Feld landete nicht immer sofort in seinem neuen Grundzustand. Einige blieben in lokalen Energieminima gefangen – falschen Grundzuständen, die nur scheinbar stabil waren. Manchmal jedoch gelang es einem kleinen Teil des Universums, durch einen Quantentunnel in den wahren Zustand zu gelangen und eine sich schnell ausdehnende Blase echten Vakuums mit einer geringeren Energie als das Universum außerhalb zu bilden.

„Diese Blasen sind sehr energiegeladen; Aufgrund des Druckunterschieds zwischen ihrem Inneren und Äußeren bewegen sie sich sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit“, sagte Dunsky. „Wenn sie also kollidieren, kommt es zu dieser heftigen Kollision zwischen diesen beiden sehr relativistischen Objekten, ähnlich wie Schwarze Löcher unmittelbar vor der Kollision starke Gravitationswellen aussenden.“

Saiten und Wände

Spekulativer ist, dass Phasenübergänge im frühen Universum auch Strukturen geschaffen haben könnten, die als kosmische Strings und Domänenwände bezeichnet werden – riesige Stränge bzw. Schichten dichter Energie.

Diese Strukturen entstehen, wenn sich der Grundzustand eines Quantenfeldes so ändert, dass mehr als ein neuer Grundzustand entsteht, der jeweils gleichermaßen gültig ist. Dies kann zu hochenergetischen Defekten an den Grenzen zwischen Taschen des Universums führen, die zufällig in unterschiedliche, aber gleichermaßen günstige Grundzustände fallen.

Der Prozess ähnelt in etwa der Art und Weise, wie bestimmte Gesteine ​​beim Abkühlen natürlichen Magnetismus entwickeln, sagte Dunsky, der dies getan hat untersuchte die beobachtbaren Fingerabdrücke des Prozesses. Bei hohen Temperaturen sind Atome zufällig ausgerichtet. Aber bei kühlen Temperaturen wird es für sie energetisch günstiger, sich magnetisch auszurichten – der Grundzustand ändert sich. Ohne ein äußeres Magnetfeld zur Ausrichtung der Atome können sie sich beliebig ausrichten. Alle „Entscheidungen“ sind gleichermaßen gültig, und verschiedene Bereiche des Minerals werden zufällig unterschiedliche Entscheidungen treffen. Das von allen Atomen erzeugte Magnetfeld biegt sich an den Grenzen zwischen den Domänen dramatisch ab.

In ähnlicher Weise müssen sich die Quantenfelder in verschiedenen Regionen des Universums „an der Grenze“ dieser Domänen „schnell ändern“, sagte er, was zu großen Energiedichten an diesen Grenzen führt, die „das Vorhandensein einer Domänenwand oder eines kosmischen Strings anzeigen“.

Diese kosmischen Stränge und Domänenwände, wenn es sie gäbe, hätten sich mit der Ausdehnung des Weltraums praktisch über das gesamte Universum ausgedehnt. Diese Objekte erzeugen Gravitationswellen, wenn sich Knicke an ihnen entlang ausbreiten und wenn Schleifen oszillieren und Spitzen bilden. Aber die Energieskalen dieser Wellen wurden größtenteils auf die Objekte festgelegt, die sich in den ersten Augenblicken des Universums bildeten. Und LISA könnte sie erkennen, falls sie existieren.

Echos der Schöpfung

Die Gravitationswellen, die uns aus dem sehr frühen Universum erreichen, werden nicht in ordentlich verpackten Zwitschern ankommen, wie die Signale von Kollisionen Schwarzer Löcher. Da sie so früh auftraten, sind solche Signale seitdem über den gesamten Weltraum verteilt. Sie werden aus allen Richtungen, von jedem Punkt im Raum gleichzeitig widerhallen – ein gravitatives Hintergrundsummen.

„Sie schalten Ihren Detektor ein und er ist immer da“, sagte Garcia Garcia.

Muster vor diesem Hintergrund würden für den Durchschnittsmenschen wahrscheinlich „nur wie Rauschen aussehen“, sagte Sundrum. „Aber insgeheim gibt es einen versteckten Code.“

Ein wichtiger Hinweis wird das Spektrum des Hintergrundsignals sein – seine Stärke bei verschiedenen Frequenzen. Wenn wir uns ein Gravitationswellensignal als Schall vorstellen, wäre sein Spektrum ein Diagramm der Tonhöhe gegenüber der Lautstärke. Wirklich zufälliges weißes Rauschen hätte ein flaches Spektrum, sagte Auclair. Aber Gravitationswellen, die bei Phasenübergängen freigesetzt oder von kosmischen Strings oder Domänenwänden ausgesendet werden, wären bei bestimmten Frequenzen am lautesten. Auclair hat an der Berechnung der spektralen Signaturen kosmischer Strings gearbeitet, die Gravitationswellen mit charakteristischen Wellenlängen aussenden, wenn sich ihre Knicke und Schleifen entwickeln. Und Caprini Es wurden Studien wie heftige Phasenübergänge ihre eigenen Spuren im Gravitationswellenhintergrund hinterlassen würden.

Ein weiterer Ansatz, den Sundrum und seine Kollegen verfolgen im Jahr 2018 beschrieben und kürzlich ausgearbeitet, wäre der Versuch, die Gesamtintensität des Hintergrunds am Himmel abzubilden. Dies würde es ermöglichen, nach Anisotropien oder Flecken zu suchen, die nur ein kleines bisschen lauter oder leiser als der Durchschnitt sind.

„Das Problem“, sagte Caprini, „ist, dass diese Art von Signal praktisch die gleichen Eigenschaften wie das Instrumentenrauschen aufweist.“ Die ganze Frage ist also, wie wir es unterscheiden können, wenn wir etwas entdecken.“

LISA ähnelt eher einem Mikrofon als einem Teleskop. Anstatt in eine bestimmte Richtung zu blicken, hört es den gesamten Himmel auf einmal ab. Es wird Urgravitationswellen hören, wenn sie vorhanden sind. Aber es wird auch das Zirpen und Heulen verschmelzender Schwarzer Löcher, Neutronensterne und der vielen Paare weißer Zwergsterne in unserer Galaxie hören. Damit LISA einen Hintergrund ursprünglicher Gravitationswellen erkennen kann, müssen alle anderen Signale sorgfältig identifiziert und entfernt werden. Das Herausfiltern des wahren Signals aus dem frühen Universum wird so sein, als würde man das Geräusch einer Frühlingsbrise auf einer Baustelle wahrnehmen.

Aber Sundrum entscheidet sich, hoffnungsvoll zu sein. „Wir sind nicht verrückt, die Forschung zu betreiben“, sagte er. „Für Experimentatoren wird es schwierig. Für die Öffentlichkeit wird es schwierig sein, die verschiedenen Dinge zu bezahlen, die erledigt werden müssen. Und es wird für Theoretiker schwierig sein, sich an all den Unsicherheiten, Fehlern, Hintergründen usw. vorbeizurechnen.“

Dennoch, fügte Sundrum hinzu, „scheint es möglich zu sein. Mit etwas Glück.“