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Dienstag, 06.12.2016
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"Schaumigkeit" der Raumzeit begrenzt

Beobachtungen mit Teleskopen schließen zwei Modelle des Quantenschaums aus

Weniger schaumig als gedacht: Sollte die Raumzeit im Universum tatsächlich auf kleinster Ebene gequantelt sein, dann ist dieser Quantenschaum feiner als es einige Modelle annehmen. Mit Hilfe von Beobachtungen ferner Objekte im Röntgen- und Gammastrahlenbereich haben Astrophysiker zwei Modelle der Raumzeit-Quantelung ausgeschlossen. Denn die Störeinflüsse des Quantenschaums auf das Licht sind deutlich geringer als von diesen vorhergesagt.
Wie "schaummig" ist die Raumzeit?

Wie "schaummig" ist die Raumzeit?

Einigen Theorien nach ist die Raumzeit des Universums nicht kontinuierlich, sondern besteht aus winzigen, diskreten Grundeinheiten, dem sogenannten Quantenschaum. "Wenn man mit dem Flugzeug über den Ozean fliegt, sieht seine Oberfläche auch völlig glatt aus", erklärt Studienleiter Eric Perlman vom Florida Institute of Technology in Melbourne. "Wenn man aber nahe genug heruntergeht, sieht man die Wellen und noch näher dran auch Schaum mit kleinen Bläschen, die kontinuierlich umherwabern."

So könnte es auch mit der Raumzeit sein. Doch wenn es sie gibt, ist diese Quantelung des Raums viel zu winzig, um sich direkt nachweisen zu lassen, ihre Einheiten entsprechen gerade einmal der Plancklänge von 10 hoch minus 35 Metern. Wie dieser Quantenschaum daher aussieht und wie er sich verhält, ist bisher noch völlig unklar. Einige Modelle vergleichen ihn mit einer superfluiden Flüssigkeit, andere sehen in unserem Universum nur eine Art holografischer Projektion von winzigen zweidimensionalen Grundbausteinen.

Spurensuche im Röntgenlicht


Doch es gibt eine Möglichkeit, zumindest einige Modelle des Quantenschaums auszuschließen, wie Perlman erklärt: Wenn die Raumzeit eine schaumige Struktur hat, dann könnte dies auf sehr lange Entfernungen hinweg winzige Einflüsse auf das Licht haben. Je nachdem, von welchem Modell des Quantenschaums man ausgeht, könnten sich diese Störeinflüsse so akkumulieren, dass extrem ferne Lichtquellen im All ungewöhnlich unscharf erscheinen – quasi durch durch das kosmischen Grundrauschen überlagert.


Aufnahmen weit entfernter Quasare durch das Röntgenteleskop Chandra

Aufnahmen weit entfernter Quasare durch das Röntgenteleskop Chandra

Perlman und seine Kollegen haben dies nun mit Hilfe des Chandra-Röntgenteleskops und des Fermi-Gammastrahlenteleskops der NASA überprüft. Sie beobachteten das Licht von sechs fernen Quasaren und suchten sowohl nach verräterischen Abnahmen der Intensität als auch nach spezifischen Phasenverschiebungen. Die Ergebnisse lassen nun zumindest zwei Quantenschaum-Modelle extrem unwahrscheinlich erscheinen.

"Nebel" und Holografie-Modell werden unwahrscheinlich


"Die Chandra-Röntgendaten demonstrieren klar, dass die Bilder ohne schwerwiegende Degradation der Intensität bei uns ankommen", berichten die Forscher. Das schließe das Modell aus, nachdem die Photonen durch die Raumzeit so stark gestreut werden wie Licht durch eine Nebelwand. "Nach diesem Modell müssten die Bilder völlig verschwinden, wenn sich die Fluktuationen in der Wellenfront der Wellenlänge der Strahlung annähern – doch schon die bloße Existenz von astronomischen Aufnahmen aus großen Entfernungen begrenzt diese Modelle signifikant."

Die Gammastrahlenmessungen des Fermi-Teleskops begrenzen aber auch das holografische Modell des Universums, wie die Forscher erklären. Denn auch hier müssten die von den Fluktuationen des Quantenschaums verursachten Effekte die Signale sehr ferner Gammastrahlenquellen auf bestimmte Weise verrauschen. Das aber ist eindeutig nicht der Fall, wie die Messungen zeigen.

"Unsere Daten schließen zwei verschiedenen Modelle des Raumzeit-Quantenschaums aus", sagt Koautor Jack Ng von der University of North Carolina in Chapel Hill. "Der Quantenschaum ist damit weniger schaumig als es manche Modelle vorhersagen." Er muss noch auf Größenordnungen tausendfach kleiner als ein Proton glatt sein. (The Astrophysical Journal, in press; arXiv:1411.7262)
(NASA/Chandra , 29.05.2015 - NPO)
 
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