17.03.2021

Phasenübergänge im frühen Universum

Erste Hinweise auf sehr niederfrequente Gravitationswellen.

Die NANOGrav-Kollaboration hat kürzlich erste Hinweise auf sehr nieder­frequente Gravitations­wellen beobachtet. Pedro Schwaller und Wolfram Ratzinger von der Universität Mainz haben die Daten analysiert und dabei insbesondere die Möglichkeit untersucht, ob sich dahinter eine neue Physik jenseits des Standard­modells verbergen könnte: Sie konnten zeigen, dass das Signal sowohl mit einem Phasen­übergang im frühen Universum als auch mit einem Feld extrem leichter axion-artiger Teilchen (ALPs) vereinbar ist. Letztere gelten als vielver­sprechende Kandidaten für dunkle Materie.

Abb.: Illustration der in die Raumzeit einge­betteten Erde, die durch die...
Abb.: Illustration der in die Raumzeit einge­betteten Erde, die durch die Hintergrund-Gravitations­wellen deformiert wird. (Bild: NANOGrav / T. Klein)

Gravitations­wellen öffnen ein Fenster ins frühe Universum. Während der allgegenwärtige kosmische Mikrowellen­hintergrund keine Aussagen über die ersten 300.000 Jahre unseres Universums erlaubt, ermöglichen sie einen Blick bis zurück zum Urknall. „Gerade dieses ganz frühe Universum ist für die Teilchen­physik aber so spannend“, erläutert Pedro Schwaller, theo­retischer Physiker am Exzellenz­cluster PRISMA+ der Universität Mainz. „Denn in dieser Zeit bildeten sich erst die Quarks und Gluonen als Elementar­teilchen und aus ihnen die Bausteine der Atomkerne.“ Das Besondere an den Gravitations­wellen, für die die NanoGrav Kolla­boration nun erste Hinweise gefunden hat: Sie weisen mit 10-8 Hertz eine sehr niedrige Frequenz auf, die etwas mehr als einer Schwingung alle drei Jahre entspricht. Entsprechend groß ist ihre Wellenlänge – und entsprechend groß muss auch ein Detektor sein, um sie nachzu­weisen. Da ein solcher Detektor auf der Erde nicht zu realisieren ist, nutzen die Astronomen bei NanoGrav weit entfernte Pulsare und deren Lichtsignale als riesige Detektoren.

„Obwohl die Daten bisher nur einen ersten Hinweis auf nieder­frequente Gravitations­wellen liefern, ist es für uns trotzdem sehr spannend, uns mit ihnen auseinanderzusetzen“, beschreibt Wolfram Ratzinger die Motivation hinter der Studie. „Denn solche Wellen könnten durch verschiedene Prozesse im frühen Universum entstanden sein. Bereits anhand der vorhandenen Daten können wir gegebenenfalls entscheiden, welche von ihnen überhaupt in Frage kommen könnten und welche von vorneherein nicht zu den Daten passen.“ Im Ergebnis haben die Wissenschaftler vor allem zwei Szenarien genauer unter die Lupe genommen, die die beobachteten Gravitations­wellen hervorgerufen haben könnten: Phasen­übergänge im frühen Universum oder ein Dunkle-Materie-Feld aus extrem leichten axion-artigen Teilchen (ALPs). Solche Phasen­übergänge könnten in der Ursuppe, in der es kurz nach dem Urknall sehr turbulent zuging, mit Absinken der Temperatur schlagartig erfolgt sein – ebenso wie die dunkle Materie sind sie jedoch im Standard­modell nicht vorgesehen.

Aufgrund der Datenlage interpretieren Pedro Schwaller und Wolfram Ratzinger die Resultate ihrer Analyse einerseits entsprechend vorsichtig: „Es zeigt sich eine leichte Tendenz hin zu dem Szenario des frühen Phasen­übergangs.“ Andererseits, so die beiden Physiker, zeige aber die Tatsache, dass sie selbst anhand begrenzter Daten schon gewisse Tendenzen heraus­arbeiten können, das Potential der Analyse auf. „Insofern ist unsere Studie ein erster, aber wichtiger Schritt – sie stimmt uns sehr zuver­sichtlich, dass wir mit präziseren Daten verläss­liche Aussagen treffen können, welche Botschaft uns die Gravitationswellen aus dem frühen Universum überbringen.“ „Zudem“, so Pedro Schwaller, „können wir bestimmte Eigenschaften der Szenarien schon jetzt eingrenzen – wie die Stärke des Phasen­übergangs und die Masse der Axionen.“

JGU Mainz / JOL

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