Die Urknall-Zeitachse des Universums. Kosmische Neutrinos beeinflussen den CMB zu der Zeit, als er emittiert wurde, und die Physik kümmert sich bis heute um den Rest ihrer Evolution. Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (GSFC).

Kosmische Neutrinos entdeckt, was die letzte große Vorhersage des Urknalls bestätigt

Ohne mit irgendetwas zusammenzustoßen, seit das Universum 1 Sekunde alt ist, haben diese Neutrinos immer noch einen Schlag drauf!

„Wenn Sie sehen, wie zerbrechlich und heikel das Leben sein kann, tritt alles andere in den Hintergrund.“ –Jenna Morasca

Der Urknall schien, als er zum ersten Mal vorgeschlagen wurde, eine abwegige Geschichte aus der Fantasie eines Kindes zu sein. Sicher, die Expansion des Universums, die Edwin Hubble beobachtete, bedeutete, dass je weiter eine Galaxie von uns entfernt war, desto schneller sie sich von uns entfernte. Auf dem Weg in die Zukunft würden sich die großen Entfernungen zwischen Objekten weiter vergrößern. Es ist daher keine große Hochrechnung, sich vorzustellen, dass eine Zeitreise in die Vergangenheit zu einem Universum führen würde, das nicht nur dichter ist, sondern dank der Strahlenphysik in einem expandierenden Universum auch heißer. Die Entdeckung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und des kosmischen Lichtelementhintergrunds, die beide vom Urknall vorhergesagt wurden, führten zu seiner Bestätigung. Aber letztes Jahr war endlich ein Restglühen zu sehen, das seinesgleichen sucht - von Neutrinos. Die endgültige, schwer fassbare Vorhersage des Urknalls wurde endlich bestätigt. Hier erfahren Sie, wie sich alles entwickelt hat.

Eine Illustration des Konzepts der Baryonischen Akustischen Oszillationen, die detailliert beschreibt, wie sich ab der Zeit des CMB eine großräumige Struktur bildet. Dies wird auch von Reliktneutrinos beeinflusst. Bildnachweis: Chris Blake & Sam Moorfield.

Vor siebzig Jahren hatten wir in unserer Konzeption des Universums faszinierende Fortschritte gemacht. Anstatt in einem Universum zu leben, das von absolutem Raum und absoluter Zeit beherrscht wird, lebten wir in einem Universum, in dem Raum und Zeit je nach Beobachter relativ waren. Wir lebten nicht länger in einem Newtonschen Universum, sondern in einem von der allgemeinen Relativitätstheorie bestimmten Universum, in dem Materie und Energie die Struktur der Raumzeit selbst krümmen lassen. Und dank der Beobachtungen von Hubble und anderen haben wir erfahren, dass unser Universum nicht statisch ist, sondern sich im Laufe der Zeit ausdehnt und Galaxien mit der Zeit immer weiter auseinander wachsen. 1945 machte George Gamow vielleicht den größten Sprung von allen: den großen Sprung nach hinten. Wenn sich das Universum heute ausdehnen würde, während alle ungebundenen Objekte voneinander abweichen, hieß das vielleicht, dass all diese Objekte in der Vergangenheit enger beieinander lagen. Vielleicht hat sich das Universum, in dem wir heute leben, vor langer Zeit aus einem dichteren Zustand entwickelt. Vielleicht hat die Gravitation das Universum im Laufe der Zeit zusammengeballt und gebündelt, während es in der fernen Vergangenheit gleichmäßiger und einheitlicher war. Und vielleicht - da die Energie der Strahlung an ihre Wellenlänge gebunden ist - war diese Strahlung in der Vergangenheit energiereicher, und daher war das Universum vor langer Zeit heißer.

Wie sich Materie und Strahlung in einem expandierenden Universum verdünnen; Beachten Sie die Rotverschiebung der Strahlung zu immer niedrigeren Energien im Laufe der Zeit. Bildnachweis: E. Siegel.

Und wenn dies der Fall wäre, würde dies eine unglaublich interessante Reihe von Ereignissen hervorbringen, während wir immer weiter in die Vergangenheit blicken:

  • Es gab eine Zeit bevor große Galaxien entstanden, wo nur kleine Protogalaxien und Sternhaufen entstanden waren.
  • Davor gab es eine Zeit, in der der Gravitationskollaps keine Sterne gebildet hatte und alles dunkel war: nur Uratome und energiearme Strahlung.
  • Zuvor war die Strahlung so energiereich, dass sie Elektronen von den Atomen abstoßen und ein hochenergetisches ionisiertes Plasma erzeugen konnte.
  • Noch früher erreichte die Strahlung solche Ausmaße, dass sogar Atomkerne gesprengt wurden, wodurch freie Protonen und Neutronen entstanden und die Existenz schwerer Elemente verboten wurde.
  • Und schließlich hätte die Strahlung zu früheren Zeiten so viel Energie, dass durch Einsteins E = mc² spontan Materie-Antimaterie-Paare erzeugt würden.

Dieses Bild ist Teil des so genannten "heißen Urknalls" und enthält eine ganze Reihe von Vorhersagen.

Ein Beispiel für die kosmische Geschichte / Entwicklung des Universums seit dem Urknall. Abbildung: NASA / CXC / M.Weiss.

Jede dieser Vorhersagen, wie ein sich gleichmäßig ausdehnendes Universum, dessen Expansionsrate in der Vergangenheit schneller war, ist eine solide Vorhersage für die relativen Häufigkeiten der leichten Elemente Wasserstoff, Helium-4, Deuterium, Helium-3 und Lithium und am bekanntesten die Struktur und Eigenschaften von Galaxienhaufen und -filamenten auf den größten Skalen sowie das Vorhandensein des übrig gebliebenen Glühens aus dem Urknall - dem kosmischen Mikrowellenhintergrund - wurden im Laufe der Zeit bestätigt. Es war die Entdeckung dieses übrig gebliebenen Glühens Mitte der 1960er Jahre, die zur überwältigenden Akzeptanz des Urknalls führte und dazu führte, dass alle anderen Alternativen als nicht realisierbar verworfen wurden.

Bildnachweis: LIFE-Magazin von Arno Penzias und Bob Wilson mit der Holmdel-Hornantenne, die das CMB zum ersten Mal entdeckte.

Aber es gab noch eine andere Vorhersage, über die wir nicht viel gesprochen haben, weil man dachte, dass sie nicht testbar ist. Sie sehen, Photonen - oder Lichtquanten - sind nicht die einzige Form von Strahlung in diesem Universum. Zurück, wenn alle Teilchen mit enormen Energien umherfliegen, ineinander kollidieren, und wohl oder übel eine andere Art von Teilchen (und Antiteilchen) erzeugen und vernichten, entsteht ebenfalls eine große Menge: das Neutrino. 1930 vermutete man, dass Neutrinos (und Antineutrinos) aufgrund fehlender Energien bei einigen radioaktiven Zerfällen erstmals in den 1950er Jahren in der Nähe von Kernreaktoren und später von der Sonne, von Supernovae und anderen kosmischen Quellen entdeckt wurden. Aber Neutrinos sind bekanntermaßen schwer zu erkennen, und sie werden immer schwerer zu erkennen, je niedriger ihre Energien sind.

Das Energie- / Flussspektrum des Urknalls: der kosmische Mikrowellenhintergrund. Bildnachweis: COBE / FIRAS, George Smoots Gruppe am LBL.

Das ist ein Problem und insbesondere für kosmische Neutrinos ein großes Problem. Sie sehen, bis zum heutigen Tag liegt der kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB) nur bei 2,725 K, weniger als drei Grad über dem absoluten Nullpunkt. Obwohl dies in der Vergangenheit enorm energisch war, hat sich das Universum in seiner 13,8-Milliarden-jährigen Geschichte so sehr ausgedehnt und erweitert, dass dies alles ist, was wir heute übrig haben. Für Neutrinos ist das Problem sogar noch schlimmer: Da sie erst etwa eine Sekunde nach dem Urknall aufhören, mit allen anderen Partikeln im Universum zu interagieren, haben sie sogar noch weniger Energie pro Partikel als die Photonen als Elektron / Positron Paare sind zu dieser Zeit noch da. Infolgedessen macht der Urknall eine sehr explizite Vorhersage:

  • Es sollte einen kosmischen Neutrinohintergrund (CNB) geben, der genau (4/11) ^ (1/3) der kosmischen Mikrowellenhintergrundtemperatur (CMB) entspricht.

Dies entspricht ~ 1,95 K für den CNB oder Energien pro Partikel im Bereich von ~ 100–200 micro-eV. Dies ist eine große Herausforderung für unsere Detektoren, da das Neutrino mit der niedrigsten Energie, das wir jemals gesehen haben, im Bereich von Mega-eV liegt.

Bildnachweis: IceCube Collaboration / NSF / University of Wisconsin, über https://icecube.wisc.edu/masterclass/neutrinos. Beachten Sie den großen Unterschied zwischen den CNB-Energien und allen anderen Neutrinos.

Lange Zeit wurde davon ausgegangen, dass die CNB einfach eine nicht überprüfbare Vorhersage des Urknalls sein würde: Schade für uns alle. Mit unseren unglaublichen, präzisen Beobachtungen der Fluktuationen im Hintergrund der Photonen (CMB) gab es jedoch eine Chance. Dank des Planck-Satelliten haben wir die Unvollkommenheiten im übrig gebliebenen Schein des Urknalls gemessen.

Die Schwankungen im Rest des Urknalls leuchten. Bildnachweis: ESA und Planck Collaboration.

Anfangs waren diese Schwankungen auf allen Skalen gleich stark, aber dank des Zusammenspiels von normaler Materie, dunkler Materie und Photonen gibt es bei diesen Schwankungen „Peaks“ und „Täler“. Die Positionen und Niveaus dieser Peaks und Täler liefern wichtige Informationen über den Materieinhalt, den Strahlungsgehalt, die Dichte der dunklen Materie und die räumliche Krümmung des Universums, einschließlich der Dichte der dunklen Energie.

Die beste Anpassung unseres kosmologischen Modells (rote Kurve) an die Daten (blaue Punkte) aus dem CMB. Bildnachweis: Planck Zusammenarbeit: P. A. R. Ade et al., 2013, A & A, für die Planck-Zusammenarbeit.

Es gibt auch einen sehr, sehr subtilen Effekt: Neutrinos, die zu diesen frühen Zeiten nur wenige Prozent der Energiedichte ausmachen, können die Phasen dieser Spitzen und Täler subtil verschieben. Diese Phasenverschiebung würde - falls erkennbar - nicht nur die Existenz des kosmischen Neutrino-Hintergrunds nachweisen, sondern es uns auch ermöglichen, die Temperatur zum Zeitpunkt der CMB-Emission zu messen und den Urknall auf eine völlig neue Art und Weise zu testen .

Die Anpassung der Anzahl der erforderlichen Neutrinospezies an die CMB-Schwankungsdaten. Bildnachweis: Brent Follin, Lloyd Knox, Marius Millea und Zhen PanPhys. Rev. Lett. 115, 091301 - Veröffentlicht 26. August 2015.

Letztes Jahr erschien eine Veröffentlichung von Brent Follin, Lloyd Knox, Marius Millea und Zhen Pan, die diese Phasenverschiebung zum ersten Mal entdeckte. Aus den öffentlich verfügbaren Planck-Daten (2013) konnten sie diese nicht nur definitiv nachweisen, sondern auch nutzen, um zu bestätigen, dass es im Universum drei Arten von Neutrinos gibt - die Elektronen-, Myon- und Tau-Arten: nicht mehr und nicht weniger.

Die Anzahl der Neutrinospezies, wie aus den CMB-Fluktuationsdaten abgeleitet. Bildnachweis: Brent Follin, Lloyd Knox, Marius Millea und Zhen PanPhys. Rev. Lett. 115, 091301 - Veröffentlicht 26. August 2015.

Das Unglaubliche daran ist, dass es eine Phasenverschiebung gibt, und dass sie, als die Planck-Polarisationsspektren veröffentlicht wurden, die Phasenverschiebung nicht nur noch weiter einschränkten, sondern - wie die Planck-Wissenschaftler in der Folge dieses Jahres angekündigt hatten AAS-Treffen - sie haben es uns endlich ermöglicht, die Temperatur dieses kosmischen Neutrino-Hintergrunds heute zu bestimmen! (Oder was wäre es, wenn Neutrinos masselos wären.) Das Ergebnis? 1,96 K, mit einer Unsicherheit von weniger als ± 0,02 K. Dieser Neutrinohintergrund ist definitiv da; Die Fluktuationsdaten sagen uns, dass dies so sein muss. Es hat definitiv die Effekte, die wir wissen, dass es haben muss; Diese Phasenverschiebung ist ein brandneuer Fund, der 2015 zum ersten Mal entdeckt wurde. Zusammen mit allem, was wir wissen, haben wir genug zu sagen, dass es drei Neutrino-Reliktspezies vom Urknall gibt, die kinetische Energie enthalten Das stimmt genau mit den Vorhersagen des Urknalls überein.

Zwei Grad über dem absoluten Nullpunkt waren noch nie so heiß.

Dieser Beitrag erschien zum ersten Mal bei Forbes und wird Ihnen von unseren Patreon-Unterstützern werbefrei zur Verfügung gestellt. Kommentieren Sie unser Forum und kaufen Sie unser erstes Buch: Beyond The Galaxy!