Gezielte Spurensuche nach der fünften Dimension

US-Astrophysiker modifizieren exotische Theorie über die vierte Raumdimension und wollen deren Existenz mit einem Satelliten beweisen, der 2007 startet

Multiversen, Parallelwelten, Wurmlöcher, Superstrings oder Zeitreisen; sich bis an die Grenze des Undenkbaren denken – dies ist in der Kosmologie en vogue wie selten zuvor. Die Theorien, die Astrophysiker und Kosmologen seit einigen Jahren verstärkt in die Diskussion einbringen, sind bizarr wie faszinierend. Dies gilt im Besonderen für eine Hypothese, der zufolge es bereits ab 2007 möglich sein soll, mit Hilfe von Gammastrahlenausbrüchen extrem winzige Schwarze Löcher zu lokalisieren, die sich um Pluto tummeln könnten. Zwei US-Astrophysiker sind davon überzeugt, dass derlei Objekte im Sonnensystem mit einem neuen Satelliten nachgewiesen werden könnten. Gelänge dies, wäre damit – so behaupten die beiden Forscher – der Beweis für das Vorhandensein einer vierten Raumdimension erbracht.

Wenn sich heutzutage jemand damit beschäftigt, was die Welt "im Innersten zusammenhält", dann sind dies die Philosophen und Kosmogonen unserer Tage: die Astrophysiker und Kosmologen der Postmoderne.

Aristarchos von Samos (310-230 v. Chr.) beschäftigte sich schon vor mehr als 2200 Jahren mit dem, was die Welt „im Innersten zusammen hält“. Wissenschaftshistorisch war er der Erste, der er an den Festen des geozentrischen Weltbilds rüttelte. Er gilt heute als der „griechische Kopernikus“, als wahrer Vater des heliozentrischen Modells. (Bild: Wikipedia)

Schließlich sind sie es, die Theorien in die Welt setzen, die nicht von dieser zu sein scheinen, aber dennoch dieselbige zu beschreiben und deren Herkunft zu ergründen versuchen. Dabei verlassen sie gerne den Boden des Rationalen, schweben in hohen Sphären und buhlen mit teils bizarr, teils abstrakt-mathematisch konstruierten Modellen um ungeteilte Aufmerksamkeit – dies in der Regel sehr publikumswirksam.

Eine dieser faszinierenden Theorien, die jüngst den Wissens-Kosmos einiger Kosmologen erschüttert, modifizierten die beiden US-Wissenschaftler Charles R. Keeton von der Rutgers University in New Jersey (USA) und Arlie O. Petters von der Duke University in Durham (North Carolina). Beide Forscher entwickelten ein mathematisches Modell, das Astronomen in die Lage versetzen könnte, eine der neuen fünfdimensionalen Gravitationstheorien zu überprüfen, die mit Einsteins Relativitätstheorie konkurrieren.

Arlie O. Petters (Bild: Duke University)

Der theoretische Entwurf von Keeton und Petters fußt auf einer relativ jungen Theorie, die in Fachkreisen als "Randall-Sundrum braneworld gravity model" firmiert. Diese geht davon aus, dass das sichtbare 3-D-Universum, in dem wir leben, ein Membran-Universum ist, das in ein größeres eingebettet ist; ähnlich einer Meeresalge, die in einem Meer schwimmt. In diesem Kosmos, dem „Braneworld-Universum“, existieren nicht nur drei räumliche Dimensionen und als vierte die Zeit, so wie es die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) postuliert, sondern sage und schreibe fünf Dimensionen: vier räumliche und als fünfte die Zeit (plus Raumzeit).

So weit, so gut – wäre da nicht das Problem, das Dasein einer zusätzlichen Raumdimension in unserem Universum auch zu beweisen. Schließlich haben Astrophysiker in der Vergangenheit sich schon des Öfteren zusätzlicher Dimensionen bedient, um ihren kosmologischen Entwürfen den Hauch des Mysteriösen zu verleihen. Dieses Mal ist aber alles ganz anders, besteht doch nach Ansicht Keetons und Petters erstmals eine echte Chance, die unbekannte vierte Raumdimension und damit die Richtigkeit der „Braneworld-Theorie“ nachzuweisen. Dazu bedarf es auf Anraten der beiden Forscher nur zweier Zutaten: Man nehme das neu erstellte mathematische Modell und kombiniere es mit gezielten astronomischen Observationen bestimmter kosmologischer Effekte.

Wie viele Universen, wie viele Dimensionen mag es wohl geben? Auf jeden Fall ein weitaus spannendere Frage als jene nach dem ausschweifenden Partyleben von Paris Hilton, das den Medien immer eine Schlagzeile wert ist. Universen haben dagegen einen schweren Stand. Bild: Lawrence Berkeley National Laboratory's Physics Division

Was dabei möglicherweise am Ende auch immer aufgetischt wird – nicht jedem Kosmologen dürfte das „delikate“ Gericht munden. Denn es könnte das gesamte Weltbild ins Wanken bringen: „Es würde bestätigen, dass es eine vierte räumliche Dimension im Kosmos gibt, was eine philosophische Veränderung in Bezug auf unser Verständnis für die natürliche Welt verursachen würde“, schreibt Arlie Petters in einem jüngst veröffentlichten Online-Artikel der Physical Review D.

Das ursprünglich von der Harvard-Physikerin Lisa Randall und Raman Sundrum von der Johns Hopkins University in Baltimore (Maryland) entwickelte „Randall-Sundrum braneworld gravity model“ beinhaltet eine mathematische Beschreibung, die definiert, wie die Gravitation das Universum formt. Anders als bei der ART sagt die „Braneworld-Theorie“ voraus, dass nur wenige Sekunden nach dem Urknall durch das Zusammenballen von Elementarteilchen kleine Schwarze Löcher entstanden sind.

„Schwarze Löcher sind die Gespenster toter Sterne.“ (Martin Rees) Bild: ESA

Während aber gemäß der ART diese uranfänglichen Schwarzen Löcher in einem vierdimensionalen Universum im Zuge der Hawking-Strahlung inzwischen längst wieder verdampft sein sollten, müssten hingegen die kleinsten davon im Brane-Modell bis heute überlebt haben. Klein ist hierbei fast schon eine glatte Übertreibung, da es sich bei den hypothetischen Gebilden um Schwarze Löcher handelt, die zwar die Masse eines kleinen Asteroiden, dafür aber bestenfalls die Größe eines Atomkerns haben. Astrophysiker vermuten, dass sie einen Teil der Dunklen Materie dieses Universums stellen, also jener unbekannten unsichtbaren Energieform, aus der immerhin 23 Prozent des Universums bestehen.

Wie die Berechnungen und Extrapolationen der beiden Astrophysiker jedenfalls ergaben, sollten die Astronomen zunächst einmal vor der eigenen planetaren Haustür kehren. „Als wir schätzten, wie weit entfernt das nächste Braneworld-Schwarze-Loch von der Erde sein könnte, waren wir überrascht, dass es in der Nähe des Orbits von Pluto liegen könnte“, sagt Keeton. Und dies wäre beileibe kein Einzelfall, wie Petters betont. „Selbst wenn die Braneworld-Schwarzen-Löcher in unserem Teil der Galaxis ein Prozent der Dunklen Materie formen – und das ist eine vorsichtige Annahme –, dann müssten mehrere Tausend davon in unserem Sonnensystem existieren.“

Hätte er sich mit dem „Randall-Sundrum braneworld gravity model“ anfreunden können? Bild: NASA

Um die versteckte Dimension ausfindig zu machen, welche die Ausbildung von Schwarzen Mini-Löchern so gravierend begünstigt, müssen die Effekte beobachtet werden, die Braneworld-Schwarze-Löcher auf die elektromagnetische Strahlung ausüben. Dazu gehört zunächst einmal das Charakteristikum, dass Schwarze Löcher dieser Größenklasse die Struktur der Raumzeit völlig anders verzerren als die riesenhaften Kollegen, sprich die stellaren oder supermassiven Schwarzen Löcher. Infolge ihrer geringen Größe sind sie der Katalysator, durch den die fünfte Dimension für die Forscher greifbar und begreifbar wird. Dieser Effekt manifestiert sich am stärksten darin, dass die zusätzliche räumliche Dimension die Geschwindigkeit verändert, mit der ein Schwarzes Loch strahlt. Die sich hieraus ergebene Konsequenz kann jeder Astronom observieren: Die Verdampfung des jeweiligen Schwarzen Loches verlangsamt sich deutlich – die Schwarzen Löcher leben merklich länger.

Der direkteste und schnellste Weg zur fünften Dimension, so der Vorschlag des Forscherduos, sollte daher über die Analyse jener Strahlung folgen, welche von der Erde zur anderen Galaxien „reist“. Denn sobald die von der Erde ausgehende Strahlung in relativer Erdnähe ein kleines Schwarzes Loch passiert, ereignet sich infolge der starken Schwerkraft des Schwarzen Loches ein Gravitationslinseneffekt. Hierzu kommt es, wenn sich ein Stern, der sich in der Sichtlinie der Erde und einem weit entfernten Hintergrundstern befindet, an diesem vorbeidriftet. Infolge dieser Bewegung wird das Licht des Hintergrundsterns in charakteristischer Weise durch den Gravitationslinseneffekt verstärkt. Für Keeton wäre dieser Effekt der Schlüssel zum Erfolg: „Ein guter Platz, um nach solchen Gravitationslinseneffekten zu suchen, die von Braneworld-Schwarzen-Löchern generiert werden, ist ein stellarer Gammastrahlenausbruch.“

Gammastrahlenausbrüche sind mit Abstand die energiereichsten (bislang bekannten) Phänomene im All. Bild: Grosdidier (U. Montreal) et al., WFPC2, HST, NASA

Gammastrahlenausbrüche (Gamma ray bursts/GRBs) zählen zu den leuchtkräftigsten und energiereichsten "Ereignissen" im Universum. Sie sind eines der größten Geheimnisse der modernen Astronomie, da sie – scheinbar aus dem Nichts kommend – das Universum für einige Sekunden mit kaum vorstellbarer Energie durchfluten. Durchschnittlich zwei- bis dreimal pro Tag registrieren irdische Satelliten Gammastrahlenblitze. Binnen weniger Sekunden emittieren diese ultimativen Energiequellen mehr Energie, als unser Heimatstern in seinem ganzen Leben freizugeben vermag – und zwar leuchtturmartig entlang zweier dünner Strahlen.

Die Forscher gehen nunmehr davon aus, dass sich an den winzigen Schwarzen Löchern die bei Gammastrahlenausbrüchen freigesetzte Energie wie Wellen an einem Felsen brechen. Die dabei entstehenden Interferenzen könnte das „Gamma-ray Large Area Space Telescope“ (GLAST), das im August 2007 in den Erdorbit gehievt werden soll, nachweisen. Die derzeit in der Erdumlaufbahn operierenden Gammastrahlensatelliten sind bei weitem nicht sensibel genug, um die Theorie de praxi zu testen bzw. die Fluktuationen der hochenergetischen Gammastrahlung halbwegs adäquat zu messen. GLAST hingegen wäre in der Lage, die Periode des Lichts (die Zeit, in der das Licht eine Wellenlänge zurücklegt) der flüchtigen Gammastrahlenausbrüche exakt zu registrieren.

Illustration des Forschungssatelliten GLAST, der im August 2007 ins All abheben soll. Bild: NASA

Sobald die ersten Daten von GLAST vorliegen, können Astrophysiker das Interferenzmuster untersuchen, welches das jeweilige Schwarze Mini-Loch infolge seiner Gravitation verursacht. „Die Krümmung des Lichts durch das Schwarze Loch bringt das Energiespektrum durcheinander, so dass in einigen Bereichen viele Photonen auftreten und in anderen sehr wenige“, verdeutlicht Keeton. „Sollten wir das erwartete Signal sehen, dann wäre die nahe liegende Erklärung die Existenz winziger Schwarzer Löcher.“ Dies wäre aber erst der Anfang. Wie nämlich die beiden Astrophysiker gegenüber dem Online-Fachmagazin „Space flight now“ erklären, lassen sich Indizien für das Vorhandensein einer kosmischen vierten Raumdimension in den Tiefen des Alls en masse finden. Hierzu Petters im Originalton:

If the braneworld theory is correct, there should be many, many more braneworld black holes throughout the universe, each carrying the signature of a fourth dimension of space.

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