Kosmische Inflation

Kosmische Inflation ist die Theorie, dass im ersten Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall, erlebte das Universum einen kurzen Ausbruch erstaunlich schneller, beschleunigter Expansion – seine Größe stieg um mindestens den Faktor 10²⁶ an in weniger als 10⁻³² Sekunden. Die von Alan Guth 1980 vorgeschlagene und von anderen verfeinerte Inflation sollte mehrere Rätsel lösen, die das Standard-Urknallmodell allein nicht erklären konnte.

Die Probleme, die die Inflation löst

Das Horizontproblem fragt, warum das Universum so einheitlich aussieht. Regionen auf gegenüberliegenden Seiten des Himmels haben nahezu identische Temperaturen, doch im einfachen Urknallmodell waren sie nie nahe genug, um Licht auszutauschen und auszugleichen. Die Inflation löst dieses Problem, indem sie vorschlägt, dass das gesamte sichtbare Universum aus einem einzigen winzigen Fleck gewachsen ist, der war in Kontakt, bevor die Inflation sie weit auseinander trieb. Das Ebenheitsproblem fragt, warum die Geometrie des Raumes so präzise flach ist; Beim Aufblasen geht es darum, dass jede anfängliche Krümmung flach gestreckt wurde, so wie die Oberfläche eines sich aufblasenden Ballons umso flacher aussieht, je größer er wird. Die Inflation verwässert auch exotische Relikte wie magnetische Monopole, die andere Theorien vorhersagen, die wir aber nie beobachten.

Keime von Galaxien durch Quantenrauschen

Der stärkste Erfolg der Inflation ist geradezu poetisch. Winzig Quantenfluktuationen in dem sich aufblähenden Feld hätte sich auf astronomische Größe ausgeweitet und wäre in Form winziger Dichteschwankungen im gesamten Kosmos eingefroren. Diese Variationen wurden zu den Keimen, um die herum Materie später zu Galaxien und Clustern zusammenbrach. Bemerkenswerterweise stimmt das vorhergesagte Inflationsmuster – ein nahezu, aber nicht genau einheitliches Spektrum von Schwankungen – mit den im gemessenen Wellen überein kosmischer Mikrowellenhintergrund mit beeindruckender Präzision.

Inflation testen

Da es den Grundmechanismus in vielen Versionen gibt, testen Physiker die Inflation anhand der feinen Details dieser ursprünglichen Schwankungen. Zwei Schlüsselsignaturen sind Urgravitationswellen (was eine besondere Drehung in der Polarisation des Mikrowellenhintergrunds hervorrufen würde) und Nicht-Gaussianität – subtile statistische Abweichungen von einem vollkommen zufälligen Muster, die zeigen würden, wie das sich aufblähende Feld mit sich selbst interagiert. Diese zu messen ist ein zentrales Ziel der modernen Kosmologie.

Ein häufiges Missverständnis

Inflation ist nicht die Urknallexplosion selbst und auch nicht die durch den Weltraum fliegende Materie. Es handelt sich um eine schnelle Dehnung des Raumes selbst, angetrieben von einem eigentümlichen Hochenergiefeld, das vor der heißen, dichten Phase auftritt, die normalerweise als Urknall bezeichnet wird. Die Inflation bereitet den Weg; Es folgt der bekannte Urknall-Feuerball.

Was die Inflation tatsächlich vorhersagt

Die Inflation ist überprüfbar, weil sie spezifische, messbare Vorhersagen über die ursprünglichen Schwankungen macht. Das Muster sollte sein fast skaleninvariant, aber leicht geneigt, beschrieben durch den Spektralindex n_s, was einfache Modelle auf etwas unter 1 prognostizieren. Messungen des Planck-Satelliten ergeben

n_s ≈ 0.965 ± 0.004

– deutlich unterschiedlich von 1, genau wie von der Inflation erwartet. Die Inflation sagt auch einen Hintergrund ursprünglicher Gravitationswellen voraus, deren Stärke durch das Tensor-zu-Skalar-Verhältnis rbestimmt wird . Es wurden noch keine Urwellen entdeckt und der aktuelle Grenzwert (r < 0,04) hat bereits eine Reihe einst beliebter Modelle ausgeschlossen. Diese Kombination – eine bestätigte leichte Neigung plus Anzugsgrenzen r – so grenzen Kosmologen immer weiter ein, welche Version der Inflation, wenn überhaupt, unser Universum beschreibt.