Bestätigung der Inflation des Urknalls: Fragen und Antworten mit Studienleiter John Kovac

John Kovac am Südpol

John Kovac vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics vor dem Keck Array (rechts) und BICEP2-Teleskop (links), mit dem South Pole Telescope im Hintergrund (ganz links). (Bildnachweis: Denis Barkats)





Am Montag (17. März) schickte ein Team von Astronomen einen Schock durch die Physik- und Kosmologie-Gemeinschaften und machte weltweit Schlagzeilen.

Die Forscher unter der Leitung von John Kovac vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics gaben bekannt, dass sie im kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB), dem alten Licht, das das Universum mit nur 380.000 zu sättigen begann, eine Art von Polarisation namens 'B-Moden' entdeckt haben Jahre nach dem Urknall.

Die B-Moden könnten nur durch Gravitationswellen erzeugt worden sein, einige winzige Sekundenbruchteile nach dem Urknall, während einer Periode namens „Inflation“, in der sich das Universum von bloßen Quantenfluktuationen auf etwas makroskopischer Größe ausdehnte, sagen Wissenschaftler. [ Kosmische Inflation & Gravitationswellen: Vollständige Abdeckung wichtiger Entdeckungen ]



Wenn es Bestand hat – und die meisten Astronomen scheinen dies zu glauben – öffnet die Entdeckung ein neues Fenster in ein Reich der extremen Physik und gibt Astronomen ein viel besseres Verständnis der Urknall und seine unmittelbaren Folgen.

guesswhozoo.com hat sich kürzlich mit Kovac getroffen, um über den großen Fund, seine Auswirkungen und was die Entdeckung für ihn und sein Team auf persönlicher Ebene bedeutet, zu sprechen.

Die winzigen Temperaturfluktuationen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (hier als Farbe dargestellt) verfolgen urzeitliche Dichtefluktuationen im frühen Universum, die das spätere Wachstum von Galaxien auslösten. Diese Fluktuationen erzeugen ein Polarisationsmuster im CMB, das keine Verdrehung aufweist. Es wird erwartet, dass Gravitationswellen der Inflation ein viel schwächeres Muster erzeugen, das Verdrehungen (



Die winzigen Temperaturfluktuationen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (hier als Farbe dargestellt) verfolgen urzeitliche Dichtefluktuationen im frühen Universum, die das spätere Wachstum von Galaxien auslösten. Diese Fluktuationen erzeugen ein Polarisationsmuster im CMB, das keine Verdrehung aufweist. Es wird erwartet, dass Gravitationswellen der Inflation ein viel schwächeres Muster erzeugen, das eine verdrehte ('B-Mode') Polarisation enthält, die mit dem von BICEP2 beobachteten Muster übereinstimmt, das hier als schwarze Linien dargestellt ist. Die Liniensegmente zeigen die Polarisationsstärke und -orientierung an verschiedenen Stellen am Himmel.(Bildnachweis: BICEP2-Kollaboration)

guesswhozoo.com: Was bedeutet das für Astronomie und Kosmologie? Was ist die größte Auswirkung dieses Funds?

John Kovac: Nun, die B-Modus-Signatur in die CMB auf den Winkelskalen – Winkelskalen von 1 bis 5 Grad – wird weithin als das „rauchende Gewehr“ der Inflation angesehen. Es ist die einzigartige Inflationsvorhersage, die wir nach keiner alternativen Theorie im Universum erwarten würden. Sie ist grundlegend in das Paradigma der Inflation selbst eingebaut, diese Vorhersage.



Also, nachdem wir ein Signal mit unserem gesehen haben Teleskope , und sehr deutlich und mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis scheint dies genau dieser Vorhersage zu entsprechen – dies ist bei weitem der direkteste Beweis dafür, dass das Universum uns anscheinend angeboten hat, dass die Inflation tatsächlich richtig ist.

guesswhozoo.com: Wie sicher sind Sie sich bei der B-Modus-Erkennung? Gibt es eine andere Erklärung oder ist das so ziemlich ein Slam Dunk?

Kovac: Das Papier beschreibt die statistische Konfidenz der Messung, und sie liegt zwischen fünf und sieben Sigma. Das ist äußerst bedeutsam; das Signal-Rausch-Verhältnis ist sehr hoch.

Wir haben jahrelang über diesen Datensatz nachgedacht und alle Arten von internen Konsistenzprüfungen durchgeführt, und dieses hohe Signal-Rausch-Verhältnis ermöglicht es uns, unsere Daten auf viele Arten aufzuteilen und zu bestätigen, dass das Signal, das wir sehen, in allen Teilen der Daten konsistent zu sehen ist . Damit können wir viele mögliche instrumentelle Effekte ausschließen, über die man sich Sorgen machen könnte.

Wir haben das also sehr sorgfältig gemacht und sind sehr zuversichtlich, dass das Signal, das wir sehen, echt ist und am Himmel steht. Dies ist wahrscheinlich ein direktes Bild von Gravitationswellen am Himmel, das uns das frühe Universum zeigt.

Die Möglichkeit, dass das B-Modus-Signal, das wir sehen, von einem Muster aus polarisiertem Staub in unsere eigene Galaxie , zum Beispiel, ist eine Möglichkeit, die viele Menschen in Betracht ziehen und über die sie zu Recht besorgt sind. Und wir werden sagen, dass die Daten, die wir jetzt haben, diese Erklärung durch mehrere Argumentationslinien ablehnen.

Daher glauben wir, dass die bei weitem wahrscheinlichste Erklärung darin besteht, dass es sich um die B-Mode-Signatur der Inflation handelt, ein direktes Abbild der Gravitationswellen, die von der Inflation vorhergesagt werden.

Es wird umstritten. Wir können erwarten, dass die Leute versuchen, aus allen Richtungen darauf zu schießen, und wir laden das ein – das ist der wissenschaftliche Prozess, und es wird Spaß machen und interessant sein.

Inflation ist die mysteriöse Kraft, die die Skala des Säuglingsuniversums von submikroskopisch zu gigantisch in einem Bruchteil einer Sekunde sprengte. Sehen Sie, wie die kosmische Inflationstheorie für den Urknall und das Universum

Inflation ist die mysteriöse Kraft, die die Skala des Säuglingsuniversums von submikroskopisch zu gigantisch in einem Bruchteil einer Sekunde sprengte. Sehen Sie in dieser guesswhozoo.com-Infografik, wie die kosmische Inflationstheorie für den Urknall und die Expansion des Universums funktioniert.(Bildnachweis: Von Karl Tate, Infografik-Künstler)

guesswhozoo.com: Diese Erkennung ist also eine rauchende Waffe zum Aufblasen. Aber sagt sie uns auch, wie der Inflationsprozess ablief?

Kovac: Ja tut es. Es gibt viele Details, viele Inflationsmodelle. Aber die Grundlagen des inflationären Paradigmas sind gut etabliert und universell. Einer davon ist, dass die Amplitude dieser Gravitationswellen direkt der Geschwindigkeit entspricht das Universum zu der Zeit, als diese kosmologischen Skalen während dieses frühen Prozesses aus dem Horizont projiziert wurden. Und wie schnell sich das Universum aufblähte, sagt Ihnen direkt, welche Energieinflation stattfand.

Die Skala, die wir mit unserem Experiment untersuchen, die Skala, in der wir dieses Signal entdeckt haben, entspricht dem, was lange Zeit als die vorhergesagte Energieskala verstanden wurde, auf der große vereinheitlichte Theorien operieren und das Starke, das Schwache und das Elektromagnetische vereinen alle zusammen zwingen. Das sind also Energien von 10^16 GeV oder so, Gigaelektronenvolt. Dies ist seit langem eine beliebte Wahl, um sich vorzustellen, wie groß die wahrscheinliche Energieskala der Inflation im Großen und Ganzen ist. [ Wie die Inflation dem Universum den ultimativen Kickstart gab (Infografik) ]

Wenn wir Gravitationswellen in der Stärke sehen, die wir gesehen haben, bedeutet dies, dass dies tatsächlich die Energieskala der Inflation ist. Und ein wichtiger und ganz grundlegender Aspekt dabei ist, dass die Erzeugung dieser Gravitationswellen während des Inflationsprozesses auf der Wechselwirkung von Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie beruht. Es beruht tatsächlich darauf, dass es Gravitonen gibt, das Gravitationsfeld wird quantisiert. Und dafür hatten wir vorher keine direkten Beweise.

guesswhozoo.com: Die Existenz von Gravitonen steht also nun auch auf festem Boden?

Kovac: Nun, wenn die Gravitation nicht irgendwie quantisiert wäre – und ich denke, jeder geht davon aus, dass es so sein muss, oder wir verstehen die Physik überhaupt nicht wirklich –, aber wenn sie nicht quantisiert wäre, würde man diesen Hintergrund von Gravitationswellen nicht von der Inflation erwarten.

Es ist also normalerweise eine Ausgangsannahme, die in all diesen Dingen eingebaut ist Inflationstheorien , aber auch keine Selbstverständlichkeit. Dies ist ein Punkt, der kürzlich von einigen Physikern hervorgehoben wurde – dass viele Kosmologen diesen Punkt für selbstverständlich halten, aber er ist ziemlich grundlegend.

guesswhozoo.com: Diese Entdeckung wird zweifellos viele andere Projekte inspirieren. Was erhoffst du dir von zukünftigen Experimenten oder was erwartest du von ihnen?

Kovac: Es gibt viele Experimente, die bereits sehr aktiv nach diesem B-Modus-Signal der Inflation suchen Agentur] Planck-Satellit , wir hoffen. Und dieses Follow-up wird die Abdeckung und die Informationen, die wir über dieses Signal haben, auf mehrere Frequenzen und einen größeren Teil des Himmels erweitern, und dabei werden wir mehr über den inflationären Prozess erfahren.

Da wir einen breiteren Bereich von Winkelskalen abdecken, werden wir tatsächlich die Entwicklung der Inflation verfolgen, die Entwicklung der Energieskala, während sich die Inflation entfaltet. Und das ist eine sehr spannende Aussicht.

guesswhozoo.com: Wie fühlt es sich persönlich an, der Anführer des Teams zu sein, das eine so potenziell monumentale Entdeckung macht?

Kovac: Es ist extrem spannend – viele Leute in unserem Team haben viele Jahre an diesem Ergebnis gearbeitet. Aber wir alle konzentrieren uns an diesem Punkt darauf, der wissenschaftlichen Gemeinschaft unsere Messungen so sorgfältig und korrekt wie möglich zu erklären, weil wir wissen, wie wichtig dies ist. Wir wissen, dass das, was wir haben, potenziell sehr, sehr aufregend in seinen Auswirkungen ist.

guesswhozoo.com: Abschließend, wie waren die letzten Tage für Sie? Und waren Sie überrascht, dass die Ergebnisse weltweit so viel Aufsehen erregten, oder waren Sie bereit, eine Art Science-Rockstar zu werden?

Kovac: Nun, ich muss sagen, dass wir die Bedeutung unserer Ergebnisse und ihre potenzielle Bedeutung für die grundlegende Physik erkannt haben – wir haben erwartet, dass es Neuigkeiten geben würde, aber nicht auf diesem Niveau; die Resonanz war ziemlich überwältigend. Ich bin erschöpft, aber es lässt mich (wieder) schätzen, wie universell unser Interesse an den wirklich großen Fragen ist.

Andrew Lange, mein Mentor am Caltech und ein großartiger Leiter dieser Experimente, der leider vor vier Jahren verstorben ist, inspirierte die Menschen mit der Frage 'Wie weit können wir sehen?' Ich gehe davon aus, dass er jetzt sagen würde, dass die Antwort offensichtlich viel weiter zurückliegt, als wir uns einst für möglich hielten. Das hat die Fantasie vieler Menschen beflügelt.

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