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Astronomie+Physik

Gefährliche Risse im Weltraum

Comeback der Kosmischen Strings: Astronomen suchen nach gigantischen „Fäden“ aus der Urmaterie des Universums, die so etwas wie Risse durch die Raumzeit sind.

Seltsame Muster tauchen am Sternenhimmel auf, die Sensoren schlagen Alarm und das Raumschiff beginnt – manövrierunfähig – auf eine unbekannte Masse-Konzentration zu stürzen. Was Captain Jean-Luc Picard und seine Mannschaft an Bord der Enterprise in Folge 84 der Fernsehserie „Star Trek“ bedroht, gehört zu den gefährlichsten Objekten im All. In der deutschen Fassung des 1990 produzierten Films ist von einem „kosmischen Band“ die Rede – aber da haben die Übersetzer geschlampt. Und die Science-Fiction war ihrer Zeit hier keineswegs voraus, sondern hat lediglich mit einem Gedanken gespielt, den renommierte Physiker damals schon im Detail entwickelt hatten: Die Idee der Kosmischen Strings.

Diese bizarren Gebilde – extrem dünne, lange und energiereiche Fäden mit unvorstellbar großer Masse – könnten die Galaxienbildung mit angestoßen haben. Sie könnten für die höchstenergetischen Teilchen der Kosmischen Strahlung verantwortlich sein. Und sie könnten Einblicke in den Zustand der Materie gewähren, wie er Sekundenbruchteile nach dem Urknall geherrscht hat und sich in irdischen Hochenergie-Teilchenbeschleunigern niemals erreichen lässt. Vorausgesetzt, die Weltraumfäden existieren wirklich. Diese Frage wird heute unter Theoretischen Physikern wieder heftig debattiert – und neuerdings auch unter Astronomen. Nachdem die peitschenartigen Gebilde in den Neunzigerjahren quasi für tot erklärt wurden, feiern sie nun ein stürmisches Comeback. Dafür gibt es zwei gute Gründe: zum einen Erfolge bei der Suche nach einer „Weltformel“, zum anderen Fortschritte der Astronomen beim Nachweis der Kosmischen Strings – sie können sogar schon die ersten Kandidaten vorzeigen.

„Das haucht dem Forschungsgebiet neuen Atem ein“, sagt Alexander Vilenkin. Der Physik-Professor und Kosmologe an der Tufts University in Medford, Massachusetts, ist der führende Experte für Kosmische Strings. Er hat schon 1981 vorausgesagt, dass die Weltraumfäden die Galaxienbildung angestoßen haben könnten. Und er war entsprechend betrübt, als Messungen der Kosmischen Hintergrundstrahlung – des Restleuchtens vom Feuerballstadium des Urknalls – Anfang der Neunzigerjahre diese Möglichkeit ausschlossen: Die winzigen Temperaturschwankungen in dieser Strahlung passen nicht zu den prognostizierten Effekten der Kosmischen Strings.

Eingeführt wurden die Fäden ins Bestiarium der Astrophysik bereits 1976 von Thomas Kibble, der bis heute am Imperial College in London forscht. Seine Argumentation klang überzeugend: Im sehr frühen Universum, kurz nach dem Urknall, herrschten ganz andere physikalische Bedingungen als heute. Vor allem waren die vier Grundkräfte der Natur – Gravitation, Elektromagnetische Kraft, Starke und Schwache Kernkraft – zunächst noch vereint und spalteten sich dann nach und nach auf. Bei jedem dieser Phasenübergänge änderten sich auch die Eigenschaften des Vakuums, also des physikalischen Grundzustands. Und dabei bildeten sich „ topologische Defekte“, zum Beispiel die Kosmischen Strings.

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Was für Laien abstrakt klingt, lässt sich tatsächlich ganz ähnlich im Alltag beobachten: Beim Gefrieren von Wasser zu Eis entstehen Risse. Denn das Wasser friert nicht überall zugleich homogen durch, sondern von verschiedenen Stellen aus, so dass sich die Gefrierzonen irgendwo treffen. Solche Fehlerbezirke beim Phasenübergang sind auch die Kosmischen Strings: Sie bilden gleichsam Risse im Raum.

Ihre All-täglichen Eigenschaften sind freilich ganz und gar nicht alltäglich. Kibbles Exemplare, bei der Trennung der Gravitation von der Urkraft entstanden, als das Universum noch 1029 Grad heiß war, sind nur 10–30 Zentimeter dick – 10 Billiarden Mal kleiner als ein Proton. Zum Vergleich: Wäre ein Wasserstoff-Atomkern so groß wie die Sonne, dann wäre ein Kosmischer String immer noch so dünn wie ein menschliches Haar. Und doch steckt darin die unvorstellbare Energiedichte des Vakuums der Urzeit – entsprechend einer Masse von etwa 1022 Gramm pro Zentimeter. Ein nur sechs Kilometer langer Abschnitt eines Kosmischen Strings wiegt demnach so viel wie die ganze Erde.

Allerdings sind die furiosen Fäden viel länger. Kurz nach dem Urknall waren 80 Prozent unendlich lang und 20 Prozent endliche Schleifen, schätzen die Kosmologen. Seither hat sich der Weltraum stark ausgedehnt, und durch das beobachtbare Universum dürften sich nur noch ein paar unendliche Kosmische Strings ziehen – aber vielleicht 10 000 Schleifen von der Größe einer Galaxie, teilweise verzwirbelt wie Haargummis, mit mittleren Abständen von vielleicht 100 Millionen Lichtjahren. Die Angaben hängen stark von den physikalischen Modellen ab; es könnte durchaus eine Milliarde Lichtjahre große Schleifen geben, aber auch wesentlich kleinere.

Einem Kosmischen String zu nahe zu kommen wäre – wie Captain Picard vom Raumschiff Enterprise erschauernd ahnte – kein romantisches Rendezvous. Würde er einen Stern durchschneiden, begänne dieser wild zu vibrieren. „Der Kosmische String ist so dünn, dass er höchstens ein paar Atome treffen würde, aber seine Schwerkraft zieht die Materie an – sie wird bis zu 100 Kilometer pro Sekunde schnell“, erklärt Alexander Vilenkin. „Dem String selbst würde dabei nichts geschehen.“ Doch ein Mensch, der ihm im Weg steht, hätte kaum eine Überlebenschance.

„Die gegenwärtige Renaissance der Kosmischen Strings wurde hauptsächlich von der Entwicklung der Stringtheorie angetrieben“, sagt Vilenkin. Die Stringtheorie (auch Superstring- oder neuerdings M-Theorie genannt) hat, entgegen ihrem Namen, zunächst freilich gar nichts mit Kosmischen Strings zu tun. Vielmehr gilt sie als der führende Kandidat für eine „Weltformel“ – eine vereinheitlichte Theorie aller Kräfte der Natur. Sie verknüpft die Quantenphysik der Elementarteilchen mit der Allgemeinen Relativitätstheorie, die die Verbindung von Raum, Zeit, Energie, Materie und Schwerkraft beschreibt.

Den ursprünglichen Stringtheorie-Versionen zufolge sind Energie und Materie nichts anderes als Anregungsformen winziger schwingender eindimensionaler Saiten – den Strings oder Superstrings („super“, weil sie die in der Elementarteilchenphysik wichtige Eigenschaft der „Supersymmetrie“ haben). Diese nur 10–33 Zentimeter langen Superstrings sind die Grundbausteine aller bekannten Partikel – Photonen, Elektronen, Quarks und so weiter –, aber auch vieler noch nicht entdeckter Materieformen.

Die überraschende Erkenntnis der Stringtheoretiker ist nun, dass die Superstrings nicht notwendig winzig klein sein müssen, sondern unter bestimmten Bedingungen kosmische Ausmaße erreichen können – und dann Kosmische Superstrings wären. „Es ist wahrscheinlich, dass Strings von verschiedener Größe existieren“, ist nicht nur Edward Witten überzeugt, der 1990 die Fields-Medaille erhalten hat, den „Nobelpreis“ für Mathematik. Der Physik-Professor am Institute for Advanced Study in Princeton gilt als der führende Stringtheoretiker und wird häufig als neuer Einstein bezeichnet.

Kurioserweise hatte Witten bereits 1985 überlegt, ob Kosmische Strings Superstrings sein könnten – doch er verwarf diese Idee sofort wieder. Denn die damals theoretisch möglichen Kosmischen Superstrings waren viel zu massereich und instabil. Die neuen Entwicklungen in der Stringtheorie lassen jedoch eine Bildung energieärmerer Superstrings auf astronomischen Skalen zu, die auch noch nicht alle zerfallen wären. Ihr Einfluss auf die Bildung von Galaxien und Galaxienhaufen war, wenn überhaupt, moderat – im Bereich von höchstens etwa zehn Prozent.

„Jede Idee für konventionelle Kosmische Strings hat ein Gegenstück in der Stringtheorie“, sagt Mark Jackson vom Fermilab in Batavia, Illinois – und ist begeistert über die vielen Variationen, die der neue Ansatz zulässt. Auch Mairi Sakellariadou von der University London spricht von einem „ Revival der Kosmischen Strings“. Die griechische Physikerin hat im Sommer auf einer Kosmologie-Konferenz am Institut für Astrophysik in Paris dargelegt, wie sich die Superfäden unter sehr allgemeinen theoretischen Annahmen im frühen Universum gebildet haben müssen.

Die theoretischen Fortschritte weisen in zwei vielversprechende Richtungen: Zum einen geben sie den Kosmischen Strings eine fundamentale physikalische Grundlage. Zum anderen eröffnen sie die Möglichkeit, die von Skeptikern oft als „reine Mathematik“ abgewertete Superstringtheorie zu testen. „Die Beobachtung von Superstrings kosmischer Größe wäre ein spektakulärer Weg, um die Superstringtheorie zu bestätigen“, sagt Joe Polchinski von der University of California, Santa Barbara. „ Das wird uns die Erforschung von Energien ermöglichen, die Billionen mal größer sind als alles, was Teilchenbeschleuniger erreichen können. Wir stehen am Beginn einer neuen Ära der Wissenschaft.“

Freilich muss man dazu Kosmische Superstrings erst einmal finden und von den klassischen Kosmischen Strings unterscheiden können. Dies ist Computersimulationen zufolge im Prinzip möglich. „Durch Himmelsbeobachtungen und das Zählen der langen Strings können wir feststellen, ob es gewöhnliche Kosmische Strings sind oder Superstrings“, sagt Alexander Vilenkin, der mit seinen Kollegen Ken Olum und Vitaly Vanchurin in den letzten Monaten aufwendige Computersimulationen ausgetüftelt hat. Vanchurin demonstriert in einem Film auf seiner Website sogar die Evolution des String-Netzwerks.

Währenddessen haben sich beobachtende Astronomen auf die Suche nach den Kosmischen Strings gemacht. Zwar sind die dünnen Gebilde nicht direkt sichtbar, aber ihr enormes Schwerefeld krümmt den Raum so stark, dass das Licht von Objekten hinter ihnen abgelenkt wird. Ferne Galaxien wären in Form zweier Geisterbilder am Himmel zu sehen (siehe Grafik „Kegelkrümmung der Raumzeit“). Das ist ein Beispiel für einen Gravitationslinsen-Effekt, wie ihn Albert Einstein schon 1936 beschrieben hatte – allerdings nicht für Kosmische Strings.

Lange galten die Effekte als unbeobachtbar, aber seit 1979 wurden Dutzende von Beispielen für eine solche Kosmische Fata Morgana entdeckt. Dabei wirkt eine Galaxie oder ein Galaxienhaufen im Vordergrund als Gravitationslinse, deren Schwerefeld das Licht einer anderen Galaxie oder eines Quasars dahinter auf krumme Bahnen bringt. Das Hintergrundobjekt wird dadurch in mehrere Einzelbilder aufgespalten – bis zu fünf hat man beobachtet – oder gar zu einem Lichtring aufgefächert. Auch Mikrolinsen-Effekte sind seit den Neunzigerjahren bekannt: Hier bündelt kurzfristig ein Vordergrundobjekt die Strahlung einer weit dahinter vorüberziehenden Lichtquelle und verstärkt sie dadurch auf charakteristische Weise.

Kosmische Strings, so die Berechnungen der Theoretiker, haben als Gravitationslinse eine unverwechselbare Eigenschaft: Sie spalten das Licht der Hintergrundquelle in genau zwei symmetrische, scharf voneinander getrennte Bilder. Bleibt also die Herausforderung, solche Schwerkraft-Schimären wirklich am Himmel zu finden…

Den ersten Kandidaten für eine String-Linse – genannt CLS-1 (Capodimonte Sternberg Lens candidate 1) – haben ein Forscherteam um Mikhail Sazhin vom Sternberg-Astronomie-Institut der Universität Moskau und Giuseppe Longo vom Capodimonte-Observatorium der Universität Neapel im Jahr 2003 erspäht. Die Astronomen entdeckten zwei Elliptische Galaxien, nur 1,9 Bogensekunden am Himmel voneinander entfernt, deren Spektren sich glichen, und die durch eine schmale Lücke getrennt schienen. Die beiden Galaxien befinden sich ungefähr fünf Milliarden Lichtjahre entfernt im Sternbild Rabe. „Entweder ist das eine zufällige Reihung identischer Galaxien – oder das erste Beispiel eines Linseneffekts durch einen Kosmischen String“, sagte Longo damals.

Doch viele Astronomen blieben skeptisch. Und so war klar, dass nur bessere Daten die Entscheidung bringen konnten. Ist wirklich ein Kosmischer String für das Doppelbild verantwortlich, müsste ein hochaufgelöstes Foto zwei exakt gleiche Bilder zeigen, und zwischen den Galaxien wäre eine dunkle Kante zu sehen. Eine Vordergrundgalaxie als Gravitationslinse würden dagegen die Bilder auf unterschiedliche Weise verzerren.

Am 12. Januar 2006 erhielten Longo und seine Kollegen sechs Erdumläufe des Hubble-Teleskops zur Beobachtung und machten eine insgesamt 3,9 Stunden lang belichtete Aufnahme von CSL-1. Das Ergebnis war eine Enttäuschung: Es gibt weder eine scharfe Kante noch eine exakte Symmetrie. „CSL-1 ist keine Elliptische Galaxie hinter einem als Gravitationslinse wirkenden Kosmischen String“, lautet das Fazit der Astronomen in ihrem vor Kurzem erschienenen Fachartikel. Vielmehr handelt es sich um ein Paar echter Galaxien, die miteinander wechselwirken. Auch die Vermutung, dass andere Galaxienpaare in der Umgebung existieren, ließ sich nicht halten.

„Momentan haben wir keinen anderen Kandidaten“, bedauert Longo. Doch er und seine Kollegen lassen sich nicht entmutigen. Sie planen eine systematische Suche mit einem Teleskop der Europäischen Südsternwarte in Chile, das nächstes Jahr betriebsbereit sein wird. „Die bisherigen Durchmusterungen waren nicht effektiv genug, weil entweder ihre Auflösung zu gering oder ihr Himmelsareal zu klein war“, sagt Longo. Doch eigentlich ist der Misserfolg ein Erfolg: Denn die Story von CSL-1 hat erstmals gezeigt, dass Kosmische Strings Objekte sind, deren Existenz wissenschaftlich überprüfbar ist – und somit auch widerlegbar.

Indessen haben Rudolph Schild vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics und drei Kollegen vom Observatorium in Kiew einen anderen Kandidaten gefunden. Er kann allerdings nicht so einfach wie CSL-1 getestet werden. Denn er hat sich kurioserweise als Gravitationslinseneffekt bei einem Gravitationslinseneffekt bemerkbar gemacht – und zwar ausgerechnet bei dem Quasar Q0957 +561A/B, der 1979 als erster bekannter Gravitationslinsen-Effekt überhaupt identifiziert wurde. Drei britische Astronomen hatten den scheinbaren Doppelquasar im Sternbild Großer Bär als zwei Geisterbilder desselben 3,6 Milliarden Lichtjahren fernen Quasars identifiziert, aufgespalten von der Schwerkraft eines Galaxienhaufens im Vordergrund, 2,1 Milliarden Lichtjahre entfernt.

Seither wurde Q0957+561A/B über 1500-mal beobachtet. Es zeigte sich, dass Helligkeitsänderungen, wie sie bei Quasaren häufig zu beobachten sind, nicht zeitgleich auf der Erde ankommen, sondern um 417 Tage versetzt. Dies bedeutet, dass die Lichtstrahlen des einen Geisterbilds einen rund 1,1 Lichtjahre weiteren Weg zurückgelegt haben und somit entsprechend länger brauchten. Als Schild und seine Kollegen vor zwei Jahren aber die zahlreichen Messdaten neu analysierten, fanden sie zu ihrer Überraschung, dass Q0957+561A/B in den Jahren 1994 und 1995 insgesamt 400 Tage lang Helligkeitsschwankungen im 100-Tage-Rhythmus hatte – und zwar in beiden Bildern gleichzeitig, also nicht mit der 417-tägigen Laufzeitdifferenz. Es handelt sich somit um einen lokalen Effekt. Solche Helligkeitsschwankungen sind typisch für Mikrogravitationslinsen-Effekte. Doch die konventionelle Erklärung einer Linse scheidet hier aus: Es müsste sich dann um ein Doppelstern-System aus zwei Sternen mit jeweils 80 Sonnenmassen und einer Entfernung von nur vier Lichtjahren handeln. Ein solcher Doppelstern wäre schon mit bloßem Auge mühelos zu erkennen.

Schilds einzige Erklärung lautet daher: Der Mikrogravitationslinsen-Effekt stammt von einem Kosmischen String, der mit einer Frequenz von 100 Tagen oszillierte und sich mittlerweile aus der Sichtlinie von Q0957+561A/B entfernt hat. Es könnte sich um eine kurze Schleife handeln, nur vielleicht 160 Lichttage im Durchmesser, die im Halo der Milchstraße steckt, etwa 10 000 Lichtjahre entfernt. „Wir kennen nichts sonst im Universum, das ein so großes Himmelsareal beeinflussen kann, wie wir es durch die Helligkeitskurven der beiden Quasar-Bilder beobachtet haben“, sagt Schild. Er vermutet, dass es noch mehr Kosmische Strings in dieser Richtung gibt. Denn er hat zwischen 1986 und 1997 weitere Helligkeitsschwankungen ausgemacht – allerdings nur in einem der Quasar-Bilder –, die er ebenfalls als Mikrogravitationslinsen-Effekte deutet.

Die Kosmischen Strings können sich auch anders bemerkbar machen: Sie bringen die Architektur der Raumzeit selbst ins Schwingen. Alexander Vilenkin hat schon 1981 gezeigt, dass die Vibrationen der Kosmischen Strings Gravitationswellen abstrahlen – ähnlich wie eine knallende Peitsche die Luft erschüttert. Mit Thibault Damour hat Vilenkin in den letzten Jahren berechnet, welche Signatur diese Gravitationswellen haben müssen. Das überraschende Ergebnis: Das Signal ist möglicherweise so charakteristisch und stark, dass es sich schon in wenigen Jahren von dem bereits aktiven Gravitationswellen-Detektor LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) in den USA oder dem geplanten LISA-Detektor (Laser Interferometer Space Antenna) im Weltraum messen lässt. Im Vergleich zu den komplizierten Gravitationswellenmustern von Sternexplosionen oder kollidierenden Neutronensternen und Schwarzen Löchern ist der Knall der Schwerkraftpeitschen geradezu simpel. „Unter optimistischen Annahmen ist LIGO nahe an der Entdeckungsempfindlichkeit für die meisten Frequenzbereiche interessanter String-Spannungen“, sagt Polchinski. „Das ist bemerkenswert. Kosmische Strings könnten die hellsten Objekte der Gravitationswellen-Astronomie sein – und die ersten Quellen, die entdeckt werden!“

Vielleicht wirken Kosmische Strings sogar auf die Erde ein – als Quellen der höchstenergetischen Kosmischen Strahlung. Wenn die Weltraumrisse, wie Edward Witten überlegt hat, supraleitend sind, würden in ihnen elektrische Ströme von bis zu 10 Billionen Ampère fließen, und ihre Zerfallsprodukte könnten mit gigantischen Energien durchs All geschleudert werden.

Bei allen Spekulationen: Was vor 30 Jahren als physikalische Gedankenspielerei entstand, hat sich zu einem respektablen Forschungsfeld gemausert. Und wenn sich eines Tages eine Verbindung zwischen den größten und den kleinsten zusammenhängenden Strukturen im Universum bestätigen lässt, wird das auch den hartnäckigsten Skeptiker aus der Fassung bringen. ■

Rüdiger Vaas

COMMUNITY Internet

Simulation der Entwicklung eines Netzwerks Kosmischer Strings:

cosmos.phy.tufts.edu/~vitaly/ animation.avi

Kosmische Strings und Stringtheorie:

arxiv.org/hep-th/0508135

arxiv.org/hep-th/0412244

Ohne Titel

• Kosmische Strings sind hypothetische Relikte aus der ersten Sekunde des Alls. • Die gigantisch langen „Fäden“ sind extrem dünn und massereich.

• Neue Entwicklungen der Stringtheorie und astronomische Projekte helfen bei der Suche nach den exotischen Gebilden.

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