Welten jenseits der Welt

US-Astrophysiker wollen mit ESA-Satelliten verborgene Dimensionen aufspüren

US-Astrophysiker wollen aus der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung Informationen extrahieren, die auf Extradimensionen hinweisen und deren mögliche Form definieren. Der neue Planck-Satellit der Europäischen Raumfahrtagentur ESA, der 2008 in den Orbit gehievt werden soll, könnte hierbei eine Schlüsselrolle spielen.

Exotische Strukturen prägen das Antlitz unseres Universums, das selbst sehr exotisch sein könnte. Bild: NASA/JPL-Caltech/J. Hora (Harvard-Smithsonian CfA)

Am Anfang gab es keinen realen Anfang, weil die dafür notwendigen Koordinaten Zeit und Raum schlichtweg nicht existent waren. Dennoch entsprang auf unerklärliche Weise in einer gewaltigen laut- und lichtlosen „Explosion“ das uns bekannte Universum. Aus einem unendlich kleinen Punkt (Singularität) von unvorstellbar hoher Energiedichte und Temperatur traten im Zuge des so genannten Urknalls (Big Bang) Materie, Raum und Zeit – und zirka 380.000 Jahre später auch Licht, sowie jene nachweisbare Strahlung in die Welt, die heute noch das ganze Universum durchflutet: die Mikrowellenhintergrundstrahlung.

Der Urknall, die Ur-Sache aller Ursachen dieser Welt, schaffte alle Grundlagen dafür, dass Äonen danach mindestens eine Lebensform über das wahre Wesen von Raum und Zeit sinnieren darf. Auf der Suche nach der „Weltformel“, die die Quantenmechanik mit der Allgemeinen Relativitätstheorie vereinheitlichen soll, dringen neuerdings immer mehr Astrophysiker immer tiefer in unbekannte Räume ein. Einer von ihnen, der den uns vertrauten dreidimensionalen Raum (plus die Zeit als Extradimension) mathematisch und gedanklich längst verlassen hat, ist Gary Shiu. Anstatt sein Hauptaugenmerk auf die Raumkoordinaten Höhe, Länge und Breite zu richten, hat sich der Astrophysiker der Universität Wisconsin in Madison/Wisconsin den „Räumlichkeiten“ einer Theorie verschrieben, die in der Astrophysik en vogue ist: der String-Theorie.

Gary Shiu. Bild: Cornell University

Dieses 1984 weiterentwickelte, rein theoretische, bis auf den heutigen Tag nicht bewiesene Modell geht davon aus, dass alle Elementarteilchen aus unvorstellbar winzigen Fäden von wenigen Milliardstel Billionstel Billionstel Metern bestehen. Eindimensionale Fäden (Strings), die in einem zehndimensionalen Raum-Zeit-Kontinuum in verschiedenen Frequenzen oszillieren. Durch deren Vibrationen entstehen alle Eigenschaften der Partikel wie Masse, Ladung und Spin.

Aber mehr noch: Laut String-Theorie weist unser Universum neben den drei bekannten mindestens sechs zusätzliche Raumdimensionen auf, die irgendwie aufgerollt sind. Zusammengezogen zu unbekannten geometrischen Figuren auf Subquark-Ebene, befinden sie sich in jedem Punkt in unserem Universum, entziehen sich aber jedweder Beobachtung. Jede dieser Extradimensionen könnte zehntausende mögliche Formen annehmen, wobei jede Form für sich ein eigenes Universum repräsentierte.

Dieses Bild hat mit Strings nicht zu tun, lädt diesbezüglich aber zu Assoziationen ein Bild: Cern

Ausgehend von diesen Überlegungen, veröffentlichte Shiu zusammen mit seinem Assistenten Bret Underwood kürzlich einen Artikel in der englischen Fachpublikation „Physical Review Letters“ (Nr. 98, 051301), in dem beide Forscher einen Weg vorstellen, mit dem die verborgenen extrem kleinen Extradimensionen im Universum aufgespürt und deren bis dato völlig unbekannte Formen via Computersimulation visualisiert werden könnten. Hierfür muss laut Gary Shiu die kosmische Uhr allerdings weit, sehr weit zurückgedreht werden – und zwar bis zu dem Zeitpunkt, als die Welt gerade einmal 10-43 Sekunden alt (Planck-Zeit) und 10-35 Meter groß (Planck-Länge) war. Denn bevor sich der Raum in der so genannten Inflationsphase binnen einer Quintillionstel (Zahl mit 30 Nullen) Sekunde mit unglaublicher "Geschwindigkeit" um den unvorstellbaren Faktor 1029 aufblähte, tummelten sich in ihm möglicherweise noch andere Dimensionen: eben jene, die String-Theoretiker vorhersagen und Shiu und sein Kollege lokalisieren wollen. "Unsere Idee war es, in die Zeit zurückzugehen und zu sehen, was damals wirklich geschah", sagt Shiu. Weiter als 13,3 Milliarden Jahre in die Vergangenheit können die Historiker des Universums allerdings nicht blicken, da erst zu dieser Zeit das Weltall kühl genug war, um Atome und somit Licht zu generieren. Immerhin liegt aus dieser archaischen Epoche ein kosmo-historisches Abbild der Mikrowellenhintergrundstrahlung in Gestalt einer 360-Grad-Karte vor, das der NASA-Sonde WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) 2003 gelang.

WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) nimmt seit Mitte 2002 als Nachfolger von COBE die Fluktuationen im Urknallecho noch genauer unter die Lupe. Bild: NASA

Auf ihr verewigte sich der Fingerabdruck des Urknalls. Es ist das schärfste und älteste „Bild“ aus der Urzeit unseres Universums, in dem viele Informationen eingefroren sind. In ihm müssten, so vermuten Shiu und Underwood, auch Hinweise auf die Existenz zusätzlicher Dimensionen eingeschlossen sein, weil der Einfluss der sechs winzigen Dimensionen unmittelbar nach dem Urknall in der Planck-Ära am größten war. „So wie der Schatten einen Anhaltspunkt auf die Form eines Objektes geben kann, kann das Muster der kosmischen Strahlung auf die Gestalt der anderen sechs Dimensionen hinweisen“, erklärt Shiu.

Unendliche Weiten in einem unendlich endlichen Kosmos, dessen Existenz die unglaubliche Folge unglaublicher Zufälle sein könnte. Könnten in ihm Extradimensionen verborgen sein? Bild: NASA, ESA, J. Blakeslee and H. Ford (Johns Hopkins University)

Um mithilfe der WMAP-Daten zu lernen, wie aus der sechsdimensionalen Geometrie des Anfangs Informationen extrahiert werden könnten, bedienten sich die Forscher zweier unterschiedlicher Typen von mathematisch einfachen Geometrien. Dadurch konnten sie die vorhergesagte Energieverteilung berechnen und auf einer imaginären Karte visualisieren, die bei einem Universum zu erwarten wäre, das eine solche Form besäße. Dann, beim Vergleich der fiktiven Karte mit dem WMAP-Original fanden Shiu und Underwood kleine, aber signifikante Unterschiede. Auf der computergenerierten Darstellung manifestieren sich diese in Gestalt von kleinen, fleckenartigen Schattierungen, welche auf eine völlig andere Temperatur- und Energieverteilung hindeuten. Nach Ansicht beider Wissenschaftler geben diese speziellen Strahlungsmuster deutliche Hinweise auf die Geometrie der sechsdimensionalen Form.

Computergeneriertes Modell einer möglichen sechsdimensionalen Geometrie, so wie sie Shiu postuliert. Bild: Andrew J. Hanson, Indiana University

Unsere Resultate beweisen, dass die Geometrie der versteckten Dimensionen durch die Muster der kosmischen Energie entschlüsselt werden kann. Dadurch bietet sich die seltene Gelegenheit, die String-Theorie zu testen.

Gary Shiu

Aussagekräftig sind die vorliegenden Extrapolationen aufgrund der groben WMAP-Messungen jedoch nicht. Die Hoffnungen der Forscher richten sich nunmehr auf das neue hochsensible ESA-Weltraumteleskop Planck, das selbst eine Temperaturdifferenz von einem fünfmillionstel Grad Celsius erfassen kann.

Physik-Nobelpreisträger George F. Smoot, der mit COBE 1992 Temperaturfluktuationen in der Hintergrundstrahlung entdeckte, begutachtete am 1. Februar 2007 den 4,2 Meter großen Planck-Satelliten mitsamt Spiegel. Bild: ESA

„Planck wird in der Lage sein, die kosmische Hintergrundstrahlung mit beeindruckender Präzision zu messen“, erklärt Shiu. „Bis vor kurzen wurden versteckte Dimensionen noch als völlig unzugänglich betrachtet. Nun aber liegen bereits mehrere Ideen und Szenarien vor, wie diese aufgespürt werden können.“

Henry Tye. Bild: Cornell University

Angetan von Shiu und Underwoods Annahmen ist der theoretische Physiker Henry S.-H. Tye von der Cornell-Universität in Ithaca, der sich ebenfalls der String- und Superstringtheorie verschrieben hat:

Ich halte die Arbeit von Shiu and Underwood für ein Paradebeispiel dafür, wie kosmische Beobachtungsdaten uns etwas über die Struktur der verborgenen Dimensionen der String-Theorie erzählen können. Hierbei lernen wir auch etwas über den Ursprung unseres Universums. Die künftigen Observationen mit dem europäischen Satelliten Planck werden entscheidend sein. Wir werden in den nächsten Jahren eine Menge lernen.

Auch der bekannte deutsche Astrophysiker Harald Lesch zeigt sich optimistisch: „An der Theorie von Shiu und Underwood könnte etwas dran sein", meint der Professor am Institut für Astronomie und Astrophysik der Ludwig-Maximilians-Universität in München. "Es ist halt nur die Frage, inwieweit sich die räumlichen Eigenschaften in der kosmischen Hintergrundstrahlung niedergeschlagen haben, als das Universum nur 10-35 Meter groß (Planck-Länge) war.“

Simulation der Hintergrundstrahlung, wie sie Planck widerspiegeln könnte. Bild: ESA

Schon im nächsten Jahr könnten auf diese Frage die ersten Antworten vorliegen. Wenn der hochempfindliche Planck-Satellit im All Position bezogen hat, stünde nicht allein die Stringtheorie endlich auf den lang ersehnten kosmischen Prüfstand. Vielmehr erhielten Menschen dann vielleicht erstmals konkrete Informationen aus fremden, fernen und doch so „nahen“ Welten jenseits unserer Welt.

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