Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

Inflation hat mit den Abweichungen von der vollkommenen Gleichförmigkeit in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung zu tun, die im vorangehenden Kapitel vorgestellt wurde. Die Hintergrundstrahlung sagt uns viel mehr als nur, dass es einen Urknall gab. Ihre Schönheit besteht darin, dass sie uns direkt auf die Anfänge von Strukturen zu einer Zeit blicken lässt, als das Universum noch sehr gleichmäßig war, weil sie im Wesentlichen eine Momentaufnahme des Universums aus sehr früher Zeit ist – bevor sich Sterne bilden konnten. Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) offenbarten außerdem winzige Abweichungen von einer vollkommenen Homogenität. Die Inflation sagt diese Tatsache voraus, weil quantenmechanische Fluktuationen die Ursache dafür waren, dass die Inflation in verschiedenen Regionen des Universums zu leicht unterschiedlichen Zeiten endete, wodurch winzige Abweichungen von der absoluten Gleichförmigkeit entstanden. Die satellitengestützte Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), benannt nach dem Princeton-Physiker David Wilkinson, der den Weg für das Projekt bereitete, führte detaillierte Messungen durch, die Inflationsvorhersagen von anderen Möglichkeiten unterschieden. Trotz der Tatsache, dass die Inflation vor langer Zeit bei unglaublich hohen Temperaturen stattfand, sagt die auf der inflationären Kosmologie beruhende Theorie trotzdem die genauen statistischen Eigenschaften des Musters der Temperaturvariationen vorher, das der heutigen Strahlung am Himmel aufgeprägt sein sollte. WMAP maß die kleinen Inhomogenitäten in der Temperatur und Energiedichte mit einer höheren Genauigkeit und auf kleineren Winkelskalen als zuvor, und das Muster stimmte mit den Erwartungen der Inflation überein.
    Die Hauptbestätigung der Inflation, die uns WMAP vermittelte, war die Messung der extremen Flachheit des Universums. Einstein lehrte uns, dass der Raum gekrümmt sein kann (siehe die Beispiele für gekrümmte zweidimensionale Oberflächen in Abbildung 73). Die Krümmung hängt von der Energiedichte des Universums ab. Zu der Zeit, als die Idee der Inflation erstmals vorgeschlagen wurde, war zwar bekannt, dass das Universum viel flacher war, als naive Erwartungen nahelegen würden, aber die Messungen waren viel zu ungenau, um die auf der Idee der Inflation beruhende Vorhersage zu testen, dass das Universum so stark expandieren würde, dass jede Krümmung weggedehnt werden würde. Messungen des Mikrowellen-Hintergrunds haben nun gezeigt, dass das Universum mit der Genauigkeit von einem Prozent flach ist, was ohne eine grundlegende physikalische Erklärung äußerst schwer zu verstehen wäre.

Abb. 73: Verschwindende, positive und negative Krümmung auf zweidimensionalen Oberflächen. Auch das Universum kann gekrümmt sein, aber in der vierdimensionalen Raumzeit, die schwierig zu zeichnen ist.
    Diese Flachheit des Universums war ein überwältigender Triumph für die inflationäre Kosmologie. Wäre sie nicht der Fall gewesen, hätte man die Inflation ausschließen müssen. Die WMAP-Messungen waren für die Naturwissenschaft ebenfalls ein Triumph. Als Theoretiker erstmals die detaillierten Messungen des Mikrowellen-Hintergrunds vorstellten, die uns letztlich Aufschlüsse über die Geometrie des Universums gaben, hielten es alle für interessant genug, um es der Naturwissenschaftsgemeinde zu überantworten, aber für technisch weitaus zu schwierig, um in Kürze zu Ergebnissen zu gelangen. Innerhalb eines Jahrzehnts führten auf Beobachtungen spezialisierte Kosmologen entgegen allen Erwartungen die notwendigen Messungen durch und vermittelten uns aufregende Einblicke in die Entwicklung des Universums. WMAP liefert immer noch neue Ergebnisse und leistet detaillierte Messungen der Temperaturunterschiede am Himmel. Der Planck-Satellit, der heute in Betrieb ist, misst diese Schwankungen noch genauer. Die CMB-Messungen haben sich als die wichtigste Quelle erwiesen, um Erkenntnisse über das frühe Universum zu erhalten, und werden es höchstwahrscheinlich auch weiterhin sein.
    Kürzlich durchgeführte, detaillierte Untersuchungen der kosmischen Strahlung, die am gesamten Himmel zu finden ist, haben zu weiteren gewaltigen Sprüngen in unserem quantitativen Wissen über das Universum und seine Entwicklung geführt. Die Einzelheiten der Strahlung lieferten reichhaltige Informationen über die Materie und Energie, die uns umgeben. Außer dass es uns über die Bedingungen unterrichtete, als das