Kosmologie

Unerwartete Hotspots im kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) könnten von Schwarzen Löchern erzeugt worden sein, die vor dem Urknall verdampft sind. So sagt ein Trio von Wissenschaftlern unter der Leitung des mathematischen Physikers Roger Penrose in einem Artikel, der neue Beweise dafür liefert, dass unser Universum nur eine Stufe in einem potenziell unendlichen Zyklus kosmischer Auslöschung und Wiedergeburt ist. Andere Forscher bleiben jedoch skeptisch, dass der Mikrowellenhintergrund tatsächlich Anzeichen eines früheren “Äons” enthält.

Nach der Standardkosmologie erlebte das Universum kurz nach dem Urknall eine sehr kurze, aber außergewöhnlich intensive Expansion. Diese Periode der “Inflation” hätte alle Unregelmäßigkeiten in der Struktur des frühen Universums ausgebügelt und zu dem sehr einheitlichen Kosmos geführt, den wir um uns herum beobachten.

Allerdings hat Penrose an der Universität Oxford eine konkurrierende Theorie entwickelt, die als “conformal cyclic cosmology” (CCC) bekannt ist und postuliert, dass das Universum vor und nicht nach dem Urknall einheitlich wurde. Die Idee ist, dass das Universum von einem Äon zum nächsten kreist und jedes Mal unendlich klein und ultraglatt beginnt, bevor es sich ausdehnt und Materieklumpen erzeugt. Diese Materie wird schließlich von supermassiven Schwarzen Löchern aufgesaugt, die auf lange Sicht durch kontinuierliche Emission von Hawking-Strahlung verschwinden. Dieser Prozess stellt die Einheitlichkeit wieder her und bereitet die Bühne für den nächsten Urknall.

Massenverlust

CCC ist seit seiner Einführung im Jahr 2005 bei vielen Kosmologen auf Skepsis gestoßen, nicht zuletzt, weil die Übereinstimmung eines unendlich großen Universums in einem Äon mit einem unendlich kleinen im nächsten erfordert, dass alle Teilchen ihre Masse verlieren, wenn das Universum sehr alt wird. Im Jahr 2010 behaupteten Penrose und Vahe Gurzadyan vom Yerevan Physics Institute in Armenien, dass sie Beweise gefunden hätten, um CCC in Form von Ringen mit gleichmäßiger Temperatur innerhalb des CMB zu unterstützen. Diese Ringe, so die Idee, wären die Signatur in unserem Äon von sphärisch emittierten Gravitationswellen, die von kollidierenden Schwarzen Löchern im vorherigen Äon erzeugt wurden.

Das Paar fand solche Ringe in Daten der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) der NASA und behauptete gleichzeitig, dass sie in (Standard-) Simulationen des CMB, die sie durchgeführt hatten, kein solches Muster sahen. Andere Gruppen argumentierten jedoch, dass Simulationen tatsächlich Ringe enthielten – nachdem sie modifiziert worden waren, um die Verteilung von heißen und kalten Stellen auf verschiedenen Winkelskalen zu berücksichtigen, die in der realen CMB zu sehen sind und die von der Inflationsphysik vorhergesagt werden.

Unbeirrt hat Penrose nun eine andere Art von Beweisen zur Unterstützung von CCC veröffentlicht. Anstelle von Ringen mit nahezu gleichmäßiger Temperatur hat er stattdessen Flecken innerhalb des CMB identifiziert, die viel heißer sind als die umgebende Region. Die Idee ist, dass diese Hotspots auf die (hauptsächlich elektromagnetische) Strahlung zurückzuführen sein könnten, die während der Hawking-Verdampfung supermassiver Schwarzer Löcher im vorherigen Äon abgegeben wurde.

Hawking Points

Penrose sagt, dass, obwohl ursprünglich sehr schwach, diese Emissionen in unserem eigenen Äon in Flecken mit riesigen Mengen an Energie konzentriert worden wären, die er und seine Kollegen Hawking Points nennen. Diese Konzentration kommt zustande, erklärt er, weil “das Universum am Übergang zwischen Äonen den Überblick verliert, wie groß es ist”. Die Hawking-Punkte hätten sich dann während des frühen Universums gestreckt und kreisförmige Flecken mit einem Durchmesser am Himmel gebildet, der etwa fünfmal so groß ist wie der des Mondes.

In einem Preprint, der kürzlich auf den arXiv–Server hochgeladen wurde, berichten Penrose und zwei Kollegen – Daniel An vom SUNY Maritime College in den USA und Krzysztof Meissner von der Universität Warschau in Polen -, dass sie CMB-Daten vom Planck-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation nach Hot Spots unterschiedlicher Größe durchsuchen und analysieren, wie schnell die Mikrowellentemperatur um sie herum im Vergleich zu Spots in 1000 simulierten Karten des CMB abfällt. Sie fanden heraus, dass in und um kleine Flecken keine einzige simulierte Karte höhere Temperaturgradienten aufwies als der reale Kosmos – wobei die Temperaturschwankungen im letzteren Fall etwa eine Größenordnung höher waren (etwa 3 × 10-4 K) als der CMB-Durchschnitt.

Starke Unterstützung

Laut Penrose bietet diese Diskrepanz zwischen realen und simulierten Daten eine starke Unterstützung für CCC gegenüber der Inflation. “Wir begrüßen sicherlich Versuche, diese Beobachtungen in Bezug auf derzeit akzeptierte Modelle zu erklären”, sagt er, “aber wir denken, dass dies schwierig sein wird, wenn nicht radikal neue Ideen hervorkommen”.

Das Universum könnte in einer Schleife und einem natürlichen Kernreaktor gefangen sein

Einige andere Physiker bleiben jedoch nicht überzeugt. James Zibin von der University of British Columbia in Kanada weist darauf hin, dass Wissenschaftler den CMB seit Jahren untersuchen und keine Hinweise auf besonders heiße Stellen gefunden haben (obwohl sie einen anomalen kalten Fleck identifiziert haben). Er rechnet auch damit, dass Penrose und Kollegen den “Look elsewhere” -Effekt nicht berücksichtigt haben, und argumentiert, dass, weil sie die heißesten Stellen in den realen im Gegensatz zu simulierten Daten in nur 2 von 40 Tests gefunden haben (mit Schwerpunkt auf verschiedene Größen von Spot und CMB Grenzregion jedes Mal) Die Chancen, Opfer eines statistischen Zufalls zu werden, sinken von 1 zu 1000 auf nur 1 zu 50.

Douglas Scott, ein Kollege von Zibin in British Columbia, ist ebenfalls skeptisch. Er beschreibt das Papier als “sehr durcheinander und schwer zu verfolgen” und ist vorsichtig mit einer potenziell endlosen Reihe von Versuchen, ungewöhnliche Merkmale im CMB zu finden. “Wenn jemand zeigen könnte, dass ein bestimmtes Muster am Mikrowellenhimmel ein Beweis dafür ist, dass das Universum eine Reihe von Zyklen durchlaufen hat, wäre das natürlich spektakulär aufregend”, sagt er. “Aber dieses Papier fällt sehr kurz, das zu tun.”