Für seine grundlegenden Arbeiten zum Ursprung der Struktur des Universums hat DESYs Leitender Wissenschaftler Rafael Porto zusammen mit seinem Kollegen und Ko-Autoren Daniel Green von der Universität von Kalifornien in San Diego den Buchalter Cosmology Prize 2020 erhalten. Ihre Studie "Signals of a Quantum Universe" gewann den ersten Preis der Auszeichnung, die am Dienstag auf der Jahrestagung der American Astronomical Society verliehen wurde. Die beiden Wissenschaftler haben einen neuartigen Test dafür entwickelt, ob die großräumige Verteilung der Galaxien und Galaxienhaufen im Kosmos wie vermutet ihren Ursprung in Quantenfluktuationen im ganz jungen Universum hat. Die neue Methode bringt so einen Test erstmals in praktische Reichweite.

Nach derzeitiger Vorstellung durchlief das neugeborene Universum in den ersten Sekundenbruchteilen seiner Existenz eine sehr kurze Phase extremer Expansion. Während dieser sogenannten Inflation blähte sich der Kosmos um mindestens das Hundertmillionen-Milliarden-Milliardenfache (10²⁶) auf. „Eine der schönsten Ideen in der gesamten Wissenschaft ist, dass die Struktur, die wir heute im Kosmos beobachten, aus winzigen Quantenvakuumfluktuationen im ganz frühen Universum entstanden sein könnte, die dann durch die Epoche der Inflation gedehnt wurden“, erläutert Porto.

Gemäß der Quantenphysik können aus dem Vakuum spontan Paare von Teilchen entstehen. Normalerweise vernichten sich diese Teilchen nach einem sehr kurzen Moment gegenseitig. Während der Inflation konnten solche Paare jedoch viel schneller getrennt werden, als sie sich gegenseitig wieder vernichten konnten. So könnten sie den Keim für die Strukturen geliefert haben, die wir heute sehen. So lassen sich beispielsweise bestimmte räumliche Korrelationen bei der Anordnung von Galaxienhaufen durch dieses Modell erklären. Diese Korrelationen könnten aber auch durch klassische, zufällige Dichtefluktuationen im frühen Kosmos entstanden sein.

„Für die Theorie der Inflation gibt es viele Belege, aber die Quantennatur der ursprünglichen Saat der kosmischen Struktur ist extrem schwierig direkt nachzuweisen", sagt Porto. Zusammen mit Green bemerkte er jedoch, dass eine andere Korrelation den gewünschten Nachweis erlauben könnte: Statt nach Zweipunkt-Korrelationen zwischen (zwei) Galaxienhaufen zu suchen, schlagen die Wissenschaftler vor, nach Dreipunkt-Korrelationen zu suchen. Denn laut der Quantenphysik können manchmal auch drei Teilchen aus dem Vakuum entstehen.

Zwar können manche Teilchenzerfälle während der Phase der Inflation ebenfalls Dreipunkt-Korrelationen am Himmel entstehen lassen, deren Muster unterscheidet sich jedoch vom Quantenvakuum-Szenario. Mit der nächsten Generation von Astrometriesatelliten wie „Euclid“ der Europäischen Raumfahrtagentur ESA sollten sich solche Drei-Punkt-Korrelationen zwischen (drei) Galaxienhaufen beobachten und so die nötigen Daten für die Analyse sammeln lassen, hoffen Porto und Green. Die vorgeschlagene Methode würdigte die Preisjury als „neuartigen und bemerkenswerten Weg zu einem eindeutigen Nachweis des Quantenursprungs großräumiger kosmologischer Strukturen, was wiederum zu einem Nachweis der Quantennatur der Gravitation führen könnte“.

Der Buchalter Cosmology Prize ist eine jährliche Auszeichnung, die bahnbrechende theoretische, beobachtende oder experimentelle Arbeiten in der Kosmologie fördern soll, die das Potenzial haben, unser Wissen substanziell voranzubringen. Der erste Preis der Auszeichnung ist mit 10 000 US-Dollar dotiert.

www.buchaltercosmologyprize.org

 

Originalveröffentlichung:
Signals of a Quantum Universe; Daniel Green and Rafael A. Porto; „Physical Review Letters“, 2020; DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.251302