Die kosmische Inflation im frühen Universum
In den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall hat sich das Universum mit einer unvorstellbaren Geschwindigkeit ausgedehnt. Diese Expansion wird mit der Theorie der kosmischen Inflation erklärt. Die Inflation wurde durch ein sogenanntes Inflationsfeld angetrieben, das schließlich in ein Stadium geringerer Energie überging. Die Energie in diesem Feld wurde in Teilchen, Licht und Materie umgewandelt, aus denen sich über Milliarden Jahr alle Galaxien, Sterne und kosmischen Phänomene von heute bildeten. Modelle zur Inflation in der Hochenergiephysik umfassen mehrere Inflationsfelder. Sébastien Renaux-Petel, ein Stipendiat des Französischen Nationalen Zentrums für wissenschaftliche Forschung (CNRS) am Institut d‘Astrophysique de Paris, hat die Geometrie dieser Felder und ihren Einfluss auf die Stabilität der kosmischen Inflation erforscht. Renaux-Petel und sein Team haben erkannt, dass eine geometrische Destabilisierung der Inflation vorliegt, durch die Modelle verfälscht werden können. Im Projekt GEODESI, das über den Europäischen Forschungsrat finanziert wurde, haben Renaux-Petel und sein Team diese Arbeit fortgeführt und die grundlegenden geometrischen Prozesse bei der Entstehung des bekannten Universums erforscht. „Die Instabilität führt nicht zum Ende der Inflation“, sagt Renaux-Petel. „Die Inflation geht weiter, aber auf eine ungewöhnliche Art, die wir als abgelenkte Inflationsphase bezeichnen.“
Abgelenkte kosmische Inflation
Das Team hat diese Inflationsphase in der ersten Projektphase untersucht und neue Mechanismen gefunden, um kosmologische Inflation zu erzeugen. Mit der Ausdehnung des Universums kam es zu Schwankungen bei Dichte und Energie, durch die Wellen in den Raum entsandt wurden und sich die Form der Materie änderte. Nach einfachen Modellen der kosmischen Inflation wiesen diese Wellen eine Normalverteilung auf – sie breiteten sich gleichmäßig aus. Das Team hat jedoch entdeckt, dass es bei der abgelenkten Inflation zu erheblichen Abweichungen der Normalverteilung kommt. Zudem hat es das allgemeine Wissen zu diesen ursprünglichen Nicht-Gauß-Korrekturen ausgeweitet. „Inspiriert von diesem Phänomen haben wir einen neuen Mechanismus gefunden, ursprüngliche Schwarze Löcher zu erzeugen“, berichtet Renaux-Petel.
Die dunkle Zeit der Inflation
So konnte das Team neue Signale von Gravitationswellen erkennen, also Wellen in der Raumzeit, in denen Informationen über das frühe Universum verborgen sind. Das Team erkannte, dass dies ein neues Forschungsgebiet in der Kosmologie ist, und konnte diese „dunkle Zeit der Inflation“ erforschen, die normalerweise unzugänglich ist. Die Arbeit erregte Aufmerksamkeit und das Team wurde in die LISA-Mission der Europäischen Weltraumorganisation eingebunden, die für 2035 angesetzt ist und bei der erstmals ein Gravitationswellendetektor ins All gebracht wird. Die Forschenden entwickelten auch Methoden, um die dunkle Zeit der Inflation mit numerischen Simulationen zu analysieren. So wurde ein neues Phänomen namens „inflationärer Schmetterlingseffekt“ erkannt, der in einem Artikel in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ beschrieben wird. „Diese Arbeit ist eine Art Durchbruch beim Einsatz von Simulationen zur Erforschung der Inflation“, ergänzt er.
Der kosmologische Fluss
Ein weiterer bedeutender Fortschritt im Projekt ist der Aufbau eines computergestützten Rahmens, mit dem die statistischen Eigenschaften der Wellen in Theorien zum frühen Universum systematisch bestimmt werden können. Mit dem Code, bekannt als CosmoFlow, konnten die Forschenden Vorhersagen zu Theorien aufstellen, die mit anderen Mitteln unmöglich waren. Das Team wurde für die Arbeit, die auch im „Physical Review Letters“ veröffentlicht wurde, mit dem Buchalter Cosmology Prize 2023 ausgezeichnet. Der CosmoFlow-Code ist für weitere Forschung frei zugänglich. „Wir fördern dessen Nutzung, damit er zu einem bekannten Instrument in der kosmologischen Gemeinschaft wird“, kommentiert Renaux-Petel, der für seine Arbeit im Projekt auch die CNRS-Bronzemedaille 2024 erhielt.
Schlüsselbegriffe
GEODESI, kosmisch, Inflation, Universum, Schwarze Löcher, kosmologisch, Gemeinschaft