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Interview
Entdeckung der Gravitationswellen stärkt Urknall-Theorie
Vom Südpol aus suchten Wissenschaftler drei Jahre lang mit einem Teleskop die kosmische Hintergrundstrahlung ab. Dabei gelang ihnen der Nachweis von Gravitationswellen. Warum diese Entdeckung eine wissenschaftliche Sensation ist und ein wichtiger Baustein in der Urknall-Theorie, erläutert Astrophysiker Marek Kowalski



Professor Kowalski, Astrophysiker vom Harvard-Smithsionian Center for Astrophysics haben Gravitationswellen entdeckt. Welche Erkenntnis über die Entstehung des Universums können diese Gravitationswellen liefern?
Die Urknalltheorie hat mehrere Facetten, die noch nicht alle restlos geklärt sind. Die heutige Verteilung der Galaxien und die kosmische Hintergrundstrahlung sind ja beides Folgen des Urknalls und müssen mit der Urknalltheorie in Einklang stehen. Außerdem müssen kurz nach dem Urknall ganz besondere Bedingungen geherrscht haben. Diese Frühphase bezeichnet man auch als “Inflation”.
 Was passierte in dieser Phase?
In der Phase der Inflation dehnte sich das frühe Universum exponentiell aus, und zwar innerhalb von 10 hoch -35 Sekunden (Null Komma 34 Nullstellen eine Sekunde) nach dem Urknall - einem unfassbar kurzem Zeitraum. Der Ausdehnungsprozess hat sich danach verlangsamt, hält aber noch immer an. Das ist seit 30 Jahren ein Baustein der Urknalltheorie. Seit 30 Jahren heißt es: Wenn man diese Phase nachweisen könnte, würde das die Urknalltheorie perfekt untermauern. Für die Ausdehnung in der Inflationsphase ist das sogenannte Inflation-Feld verantwortlich, welches kleinen quantenmechanischen Fluktuationen unterlag.
Welchen Effekt haben diese Fluktuationen? 
Sie bewirken, dass sich das Universum an manchen Stellen mehr ausdehnt als an anderen. Zum Ende der Inflation geht die Energie des Inflations-Feldes in Materie und Strahlung über, mitsamt den Dichtefluktuationen. Aus denen bilden sich nach langer Zeit Galaxien und andere Strukturen im Kosmos, die wir heute um uns herum sehen. Eine wichtige Vorhersage der Inflationsphase ist die Entstehung von Gravitationswellen - als Konsequenz der Quantennatur des frühen Universums. Sie konnten aber bisher nicht nachgewiesen werden. Das ist nun gelungen.
Wie kann man sich diesen Nachweis vorstellen? Man schaut so lange mit Teleskopen ins All, bis man unbekannte Wellen findet? 
Nicht mit optischen Teleskopen, sondern mit Mikrowellenteleskopen. Man sieht damit auch sehr kalte Himmelsobjekte und insbesondere die kosmische Hintergrundstrahlung. Deren Beobachtung wurde schon mehrfach durch Nobelpreise ausgezeichnet.
Was genau ist diese Hintergrundstrahlung?
Ein Überbleibsel der Ursuppe. Sie müssen sich das so vorstellen: Das frühe Universum besteht aus einem extrem dichten und heißen Plasma, jegliche Lichtteilchen werden sofort wieder absorbiert, nichts dringt heraus aus der Teilchensuppe, in der sich noch nicht einmal Atome gebildet haben. Dann dehnt sich das alles aus, die Temperatur fällt und irgendwann wird diese Suppe transparent, das Licht kann frei entweichen. Von diesem Moment an fliegt es frei durch den Kosmos - das ist die kosmische Hintergrundstrahlung, sie lässt sich mit Teleskopen nachweisen. Dass es sie gibt, ist seit den 1970er-Jahren bekannt. Nun versuchen wir, besser zu verstehen, was wir in diesem weiterverarbeiteten Abbild des frühen Universums sehen.
Und was sehen Sie dort? 
Ein Anregungsmuster in der Intensität der kosmischen Hintergrundstrahlung, verursacht durch die Gravitationswellen. Genauer: Es wurde ein spiralförmiges Muster im polarisierten Teil des Lichts nachgewiesen. Wir sehen die Wellen also nur indirekt.
Ist das nun ein Blick direkt in den Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren?
Beinahe. Es ist ein Blick in die Zeit, als die Ursuppe transparent wurde, das war 380.000 Jahre nach dem Big Bang. Aber damit sind Sie natürlich immer noch im Bereich von 13,8 Milliarden Jahren… Allerdings sind die Gravitationswellen, die das Muster am Himmel verursachen, tatsächlich nur einen Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall entstanden.
Wie ordnen Sie persönlich dieses Forschungsergebnis ein? 
Es gehört zu den Entdeckungen, auf die man manchmal sehr lange warten muss. Auch wenn man kaum an der Existenz der Gravitationswellen gezweifelt hat: Die Deutlichkeit des Ergebnisses ist auf jeden Fall eine Überraschung und hat den Charakter einer ganz großen Entdeckung.
In einer Reihe mit dem Higgs-Teilchen? 
Es läuft ihm zumindest nicht viel hinterher. Das Higgs-Teilchen spielt eine Schlüsselrolle im Standardmodell der Teilchenphysik, das hat noch eine etwas andere Qualität. Das Standardmodell der Kosmologie ist dagegen noch nicht so weit. Dass nun zum ersten Mal Gravitationswellen gesehen wurden und damit ein Blick auf die Phase der Inflation möglich wurde, ist auf jeden Fall etwas Phänomenales.
Welche Folgen hat die Entdeckung für die weitere Forschung? 
Das ist schwer vorherzusagen. Aber es könnte sein, dass wir nun den Anfang des Kosmos viel besser untersuchen können. Und damit Fragen beantworten wie: “Was ist der Ursprung der Galaxien und Sterne, also der ganzen Strukturen rundherum?” Hoffentlich bekommen wir durch die Messungen auch neue Einsichten zu einer Theorie der Quantengravitation. Die Vorstellung dessen, was möglich werden könnte, ist absolut berauschend.









Marek Kowalski ist Professor für Astroteilchenphysik und Kosmologie an der Universität Bonn. Ab Mai wechselt der 39-Jährige an das Deutsche-Elektronen-Synchrotron (DESY) in Zeuthen, wo er schon von 2000-2003 als Postdoc gearbeitet hat. Seine Forschungsschwerpunkte sind Neutrinoastronomie und Kosmologie mit Supernovae. Der gebürtige Bonner hat in Hamburg und Berlin studiert und ist Vater von vier Kindern. (Bild: Physikalisches Institut der Universität Bonn)




25.03.2014, Thomas Röbke for the Helmholtz Gemeinschaft

Interview

Entdeckung der Gravitationswellen stärkt Urknall-Theorie

Vom Südpol aus suchten Wissenschaftler drei Jahre lang mit einem Teleskop die kosmische Hintergrundstrahlung ab. Dabei gelang ihnen der Nachweis von Gravitationswellen. Warum diese Entdeckung eine wissenschaftliche Sensation ist und ein wichtiger Baustein in der Urknall-Theorie, erläutert Astrophysiker Marek Kowalski

Professor Kowalski, Astrophysiker vom Harvard-Smithsionian Center for Astrophysics haben Gravitationswellen entdeckt. Welche Erkenntnis über die Entstehung des Universums können diese Gravitationswellen liefern?

Die Urknalltheorie hat mehrere Facetten, die noch nicht alle restlos geklärt sind. Die heutige Verteilung der Galaxien und die kosmische Hintergrundstrahlung sind ja beides Folgen des Urknalls und müssen mit der Urknalltheorie in Einklang stehen. Außerdem müssen kurz nach dem Urknall ganz besondere Bedingungen geherrscht haben. Diese Frühphase bezeichnet man auch als “Inflation”.

Was passierte in dieser Phase?

In der Phase der Inflation dehnte sich das frühe Universum exponentiell aus, und zwar innerhalb von 10 hoch -35 Sekunden (Null Komma 34 Nullstellen eine Sekunde) nach dem Urknall - einem unfassbar kurzem Zeitraum. Der Ausdehnungsprozess hat sich danach verlangsamt, hält aber noch immer an. Das ist seit 30 Jahren ein Baustein der Urknalltheorie. Seit 30 Jahren heißt es: Wenn man diese Phase nachweisen könnte, würde das die Urknalltheorie perfekt untermauern. Für die Ausdehnung in der Inflationsphase ist das sogenannte Inflation-Feld verantwortlich, welches kleinen quantenmechanischen Fluktuationen unterlag.

Welchen Effekt haben diese Fluktuationen?

Sie bewirken, dass sich das Universum an manchen Stellen mehr ausdehnt als an anderen. Zum Ende der Inflation geht die Energie des Inflations-Feldes in Materie und Strahlung über, mitsamt den Dichtefluktuationen. Aus denen bilden sich nach langer Zeit Galaxien und andere Strukturen im Kosmos, die wir heute um uns herum sehen. Eine wichtige Vorhersage der Inflationsphase ist die Entstehung von Gravitationswellen - als Konsequenz der Quantennatur des frühen Universums. Sie konnten aber bisher nicht nachgewiesen werden. Das ist nun gelungen.

Wie kann man sich diesen Nachweis vorstellen? Man schaut so lange mit Teleskopen ins All, bis man unbekannte Wellen findet?

Nicht mit optischen Teleskopen, sondern mit Mikrowellenteleskopen. Man sieht damit auch sehr kalte Himmelsobjekte und insbesondere die kosmische Hintergrundstrahlung. Deren Beobachtung wurde schon mehrfach durch Nobelpreise ausgezeichnet.

Was genau ist diese Hintergrundstrahlung?

Ein Überbleibsel der Ursuppe. Sie müssen sich das so vorstellen: Das frühe Universum besteht aus einem extrem dichten und heißen Plasma, jegliche Lichtteilchen werden sofort wieder absorbiert, nichts dringt heraus aus der Teilchensuppe, in der sich noch nicht einmal Atome gebildet haben. Dann dehnt sich das alles aus, die Temperatur fällt und irgendwann wird diese Suppe transparent, das Licht kann frei entweichen. Von diesem Moment an fliegt es frei durch den Kosmos - das ist die kosmische Hintergrundstrahlung, sie lässt sich mit Teleskopen nachweisen. Dass es sie gibt, ist seit den 1970er-Jahren bekannt. Nun versuchen wir, besser zu verstehen, was wir in diesem weiterverarbeiteten Abbild des frühen Universums sehen.

Und was sehen Sie dort?

Ein Anregungsmuster in der Intensität der kosmischen Hintergrundstrahlung, verursacht durch die Gravitationswellen. Genauer: Es wurde ein spiralförmiges Muster im polarisierten Teil des Lichts nachgewiesen. Wir sehen die Wellen also nur indirekt.

Ist das nun ein Blick direkt in den Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren?

Beinahe. Es ist ein Blick in die Zeit, als die Ursuppe transparent wurde, das war 380.000 Jahre nach dem Big Bang. Aber damit sind Sie natürlich immer noch im Bereich von 13,8 Milliarden Jahren… Allerdings sind die Gravitationswellen, die das Muster am Himmel verursachen, tatsächlich nur einen Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall entstanden.

Wie ordnen Sie persönlich dieses Forschungsergebnis ein?

Es gehört zu den Entdeckungen, auf die man manchmal sehr lange warten muss. Auch wenn man kaum an der Existenz der Gravitationswellen gezweifelt hat: Die Deutlichkeit des Ergebnisses ist auf jeden Fall eine Überraschung und hat den Charakter einer ganz großen Entdeckung.

In einer Reihe mit dem Higgs-Teilchen?

Es läuft ihm zumindest nicht viel hinterher. Das Higgs-Teilchen spielt eine Schlüsselrolle im Standardmodell der Teilchenphysik, das hat noch eine etwas andere Qualität. Das Standardmodell der Kosmologie ist dagegen noch nicht so weit. Dass nun zum ersten Mal Gravitationswellen gesehen wurden und damit ein Blick auf die Phase der Inflation möglich wurde, ist auf jeden Fall etwas Phänomenales.

Welche Folgen hat die Entdeckung für die weitere Forschung?

Das ist schwer vorherzusagen. Aber es könnte sein, dass wir nun den Anfang des Kosmos viel besser untersuchen können. Und damit Fragen beantworten wie: “Was ist der Ursprung der Galaxien und Sterne, also der ganzen Strukturen rundherum?” Hoffentlich bekommen wir durch die Messungen auch neue Einsichten zu einer Theorie der Quantengravitation. Die Vorstellung dessen, was möglich werden könnte, ist absolut berauschend.

Marek Kowalski ist Professor für Astroteilchenphysik und Kosmologie an der Universität Bonn. Ab Mai wechselt der 39-Jährige an das Deutsche-Elektronen-Synchrotron (DESY) in Zeuthen, wo er schon von 2000-2003 als Postdoc gearbeitet hat. Seine Forschungsschwerpunkte sind Neutrinoastronomie und Kosmologie mit Supernovae. Der gebürtige Bonner hat in Hamburg und Berlin studiert und ist Vater von vier Kindern. (Bild: Physikalisches Institut der Universität Bonn)

25.03.2014, Thomas Röbke for the Helmholtz Gemeinschaft

Here is a nice video to explain what are black holes and and what is the so-called Hawking radiation.

Stephen Hawking’s big ideas… made simple - animation from The Guardian http://youtu.be/D6lFGJdwRyo

But have you heard that S. Hawking recently suggested the whole concept of blakc holes should be rethought?

[Stephen Hawking] goes away with the notion of an event horizon, the invisible boundary thought to shroud every black hole, beyond which nothing, not even light, can escape.
In its stead, Hawking’s radical proposal is a much more benign “apparent horizon”, which only temporarily holds matter and energy prisoner before eventually releasing them, albeit in a more garbled form. […]

If Hawking is correct, there could even be no singularity at the core of the black hole. Instead, matter would be only temporarily held behind the apparent horizon, which would gradually move inward owing to the pull of the black hole, but would never quite crunch down to the centre. Information about this matter would not destroyed, but would be highly scrambled so that, as it is released through Hawking radiation, it would be in a vastly different form, making it almost impossible to work out what the swallowed objects once were.

The paper still has to be peer-reviewed, but when the author is Stephen Hawking, one of the creators of modern black-hole theory, it’s worth taking notice…

— Stephen Hawking: ‘There are no black holes’
http://www.nature.com/news/stephen-hawking-there-are-no-black-holes-1.14583

— related paper: Information Preservation and Weather Forecasting for Black Holes, S. W. Hawking
http://arxiv.org/abs/1401.5761

The bright gamma-ray burst GRB 130427A was spotted on April 27, 2013 by scientists operating the Large Area Telescope (LAT) as well as the Gamma-ray Burst Monitor (GBM) on the Fermi Gamma-ray Space Telescope. […]
Because the burst is so rare in its intensity (that we have detected so far) researchers have claimed that this is a unique time to measure photon activity at this energy level.[…]
The extensive information collected from this GRB has been described as the “benchmark” which will influence all future GRB researchers.

— Gamma-Ray Burst 130427A One Of The Brightest Ever Recorded
http://www.iflscience.com/space/gamma-ray-burst-130427a-one-brightest-ever-recorded

— related video: Overview Animation of Gamma-ray Burst

— related press release: Monster gamma-ray burst in our cosmic neighbourhood http://www.nbi.ku.dk/english/news/news13/monster-gamma-ray-burst-in-our-cosmic-neighbourhood

— And it’s already been published in 5 papers:
—- Fermi-LAT Observations of the Gamma-Ray Burst GRB 130427A
http://www.sciencemag.org/content/early/2013/11/20/science.1242353.full#aff-1
—- GRB 130427A: A Nearby Ordinary Monster
http://www.sciencemag.org/content/early/2013/11/20/science.1242279.full?sid=84a713d3-15ed-411f-b4b9-6d77414eeabe
—- The Bright Optical Flash and Afterglow from the Gamma-Ray Burst GRB 130427A
http://www.sciencemag.org/content/early/2013/11/20/science.1242316.full?sid=5c61b8dc-b6da-43e4-9199-b0ae3e1388a2
—- A reverse shock in GRB 130427A
http://iopscience.iop.org/0004-637X/776/2/119/article?fromSearchPage=true
—- The First Pulse of the Extremely Bright GRB 130427A: A Test Lab for Synchrotron Shocks
http://www.sciencemag.org/content/early/2013/11/20/science.1242302.full?sid=84a713d3-15ed-411f-b4b9-6d77414eeabe

From the HAP website: Time to celebrate for the scientists of the IceCube - South Pole Neutrino Observatory! With a nice explanation, if you ever wondered, of why the two highest-energy neutrino events of IceCube are called Bert and Ernie :)— IceCube: Light at the end of the tunnelhttp://www.hap-astroparticle.org/news.php#block345
— related press release: IceCube detects first high-energy neutrinos from the cosmos http://www.desy.de/information__services/press/pressreleases/@@news-view?id=6741”“This is the first indication of very high-energy neutrinos coming from outside our solar system,” says Francis Halzen, principal investigator of IceCube”— read also the reference article published in Science:Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector; The IceCube Collaboration; Science, 2013;http://www.sciencemag.org/content/342/6161/1242856

From the HAP website: Time to celebrate for the scientists of the IceCube - South Pole Neutrino Observatory! With a nice explanation, if you ever wondered, of why the two highest-energy neutrino events of IceCube are called Bert and Ernie :)

— IceCube: Light at the end of the tunnel
http://www.hap-astroparticle.org/news.php#block345


— related press release: IceCube detects first high-energy neutrinos from the cosmos http://www.desy.de/information__services/press/pressreleases/@@news-view?id=6741
“This is the first indication of very high-energy neutrinos coming from outside our solar system,” says Francis Halzen, principal investigator of IceCube

— read also the reference article published in Science:
Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector; The IceCube Collaboration; Science, 2013;
http://www.sciencemag.org/content/342/6161/1242856

The Higgs Field, explained - Don Lincoln

One of the most significant scientific discoveries of the early 21st century is surely the Higgs boson, but the boson and the Higgs Field that allows for that magic particle are extremely difficult to grasp. Don Lincoln outlines an analogy (originally conceived by David Miller) that all of us can appreciate, starring a large dinner party, a raucous group of physicists, and Peter Higgs himself.

Lesson by Don Lincoln, animation by Powerhouse Animation Studios Inc

A Capella Science - Bohemian Gravity!

Is string theory right?
Is it just fantasy?
Caught in the landscape,
Out of touch with reality
Compactified
On S5 or T*S3

Space is a pure void
Why should it be stringy?
Because it’s quantum not classical
Nonrenormalizable
Any way you quantize
You’ll encounter infinity
You see

Quanta
Must interact
Via paths we understand
Using Feynman diagrams
Often, they will just rebound
But now and then they go another way
A quantum
Loooooop
Infinities will make you cry
Unless you can renormalize your model
Of baryons, fermions
And all other states of matter

Curved space:
The graviton
Can be thought of as a field
But these infinities are real
In a many-body
Loop diagram
Our results diverge no matter what we do…
A Quantum Soup (any way you quantize)
Kiss your fields goodbye
Guess Einstein’s theory wasn’t complete at all!

I see extended 1-D objects with no mass
What’s their use? What’s their use? Can they give us quark plasma?
What to minimize?
What functional describes this
String?
Nambu-Goto! (Nambu-Goto)
Nambu-Goto! (Nambu-Goto)
How to quantize I don’t know
Polyakov!
I’m just a worldsheet, please minimize me
He’s just a worldsheet from a string theory
Reperametrized by a Weyl symmetry!

Fermi, Bose, open, closed, orientable?
Vibrations
Modes! They become particles (particles!)
Vibrations
They become particles (particles!)
Vibrations
They become particles (particles!)
Become particles (particles!)
Become particles (many many many many particle…)
Modes modes modes modes modes modes modes!
Oh mamma mia mamma mia,
Such a sea of particles!
A tachyon, with a dilaton and gravity-vity-VITY

(rock out!)

Now we need ten dimensions and I’ll tell you why
(anomaly cancellation!)
So to get down to 4D we compactify!
Oh, Kahler!
(Kahler manifold)
Manifolds must be Kahler!
(Complex Reimannian symplectic form)
If we wanna preserve
Any of our super-symmetry

(Superstrings of type I, IIa and IIb)
(Heterotic O and Heterotic E)
(All are one through S and T duality)
(Thank you Ed Witten for that superstring revolution and your new M-theory!)

(Maldecena!)
(Super-Yang-Mills!)
(Type IIB String!)
Dual! Dual!
(In the AdS/CFT)
(Holography!)

Molecules and atoms
Light and energy
Time and space and matter
All from one united
Theory

Any way you quantize…

Lyrics and arrangement by Tim Blais and A Capella Science
Original music by Queen

What is a field?
Magnetic field, electric field, gravitational field, higgs field, what is a field?

Contributing editor of  Scientific American Magazine George Musser explains how physicists think about the universe using the fundamental concept of “the field”.

Singing stars

Scientists turn the light into sound to work out the star’s size and stage of evolution from dwarf to red giant.

Related research paper in Nature: http://dx.doi.org/10.1038/nature12419

Dark matter: The matter we can’t see
Lesson by James Gillies, animation by TED-Ed.