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Eine Illustration zweier verschmelzender Galaxien, die die Raumzeit mit Gravitationswellen zum Klingen bringen.(Bildnachweis: NASA/CXC/A.Hobart)

Im Jahr 2023 entdeckten Physiker mit Erstaunen fast unmerkliche Wellen im Gewebe von Raum und Zeit, die sich zu einer Einheit, der sogenannten Raumzeit, vereinigten. Es handelte sich um Wellen, die in Verbindung mit Ansammlungen von sich schnell drehenden Neutronensternen, den sogenannten „Pulsar-Timing-Arrays“, entdeckt wurden.

Dieses niederfrequente Hintergrundsummen der Gravitationswellen in unserem Universum wurde ursprünglich auf eine Veränderung, einen „Phasenübergang“, zurückgeführt, der kurz nach dem Urknall stattfand. Neue Forschungsergebnisse lassen jedoch Zweifel an dieser Annahme aufkommen.

„Theoretiker und Experimentatoren haben spekuliert, dass die Nanohertz-Gravitationswellen von einem bekannten Übergang herrühren, der sehr bald nach dem Urknall stattfand – eine Veränderung, die die Massen aller bekannten fundamentalen Teilchen erzeugte“, sagte Andrew Fowlie, ein Assistenzprofessor an der Xi’an Jiaotong-Liverpool University, in einer Erklärung. „Unsere Arbeit deckt jedoch ernsthafte Probleme mit dieser ansonsten ansprechenden Erklärung für ihre Entstehung auf.

Phasenübergänge sind plötzliche Veränderungen der Eigenschaften eines Stoffes, die in der Regel auftreten, wenn ein bestimmter Stoff eine kritische Temperatur erreicht. Der uns vielleicht bekannteste Phasenübergang ist der Übergang von Wasser in Eis, wenn die Temperatur unter den Gefrierpunkt fällt. Es gibt auch so genannte „Superkälte“-Übergänge. Bei Wasser kommt es zu einem Superkälteübergang, wenn die Substanz in ihrer flüssigen Phase „stecken bleibt“, was ihre Umwandlung in Eis verlangsamt.

Viele Wissenschaftler glauben, dass ein „Phasenübergang erster Ordnung“ ganz am Anfang der Zeit stattfand und den Start von Gravitationswellen oder Wellen in der Raumzeit auslöste. Diese Wellen, so glauben die Experten, könnten dazu verwendet werden, die Bedingungen während der ersten Epoche der schnellen Inflation in unserem Universum zu bestimmen, oder vielleicht sogar die Bedingungen vor dem Urknall.

Nur eine Phase?

Das Konzept der Gravitationswellen geht auf Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie von 1915 zurück. Das Hauptwerk des großen Physikers besagt, dass Objekte mit Masse die Struktur der Raumzeit verzerren. Unsere physikalische Erfahrung der Schwerkraft, so die Theorie, ergibt sich aus dieser Verformung.

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Die allgemeine Relativitätstheorie geht noch weiter und besagt, dass Objekte, die beschleunigt werden, Wellen in der Raumzeit erzeugen – auch bekannt als Gravitationswellen. Dieses Phänomen ist zwar vernachlässigbar, wenn es um die Beschleunigung von Objekten in einer Größenordnung geht, wie wir sie auf der Erde sehen, aber der Effekt wird signifikant, wenn die Beschleunigung massive kosmische Objekte wie supermassive schwarze Löcher und Neutronensterne betrifft.

Wenn diese Objekte beispielsweise in Doppelsternsystemen existieren – das heißt, zwei von ihnen beschleunigen ständig umeinander -, senden sie kontinuierlich Gravitationswellen aus, bis sie schließlich kollidieren und ein hohes „Kreischen“ dieser Wellen aussenden.

Außerdem gibt es bei Gravitationswellen, wie auch bei elektromagnetischer Strahlung, eine Reihe von Frequenzen. Hochfrequente Gravitationswellen haben, wie hochfrequentes Licht, kürzere Wellenlängen und sind energiereicher; niederfrequente Gravitationswellen haben längere Wellenlängen und sind weniger energiereich. Niederfrequente langwellige Gravitationswellen haben auch lange „Perioden“, d. h. die Zeit zwischen dem Durchgang einer Wellenspitze durch einen bestimmten Punkt und dem Durchgang der nächsten Spitze durch diesen Punkt.

Ein Diagramm zur Veranschaulichung des Gravitationswellenspektrums. (Bildnachweis: NASA Goddard Space Flight Center)

Die Gravitationswellen, die das North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) im Juni 2023 aufspüren wird, haben eine niedrigere Frequenz als die Gravitationswellen, die von supermassiven schwarzen Löchern und Neutronensternverschmelzungen ausgehen und routinemäßig vom Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), VIRGO und KAGRA entdeckt werden.

Das bedeutet, dass es eine andere Quelle für diese niederfrequenten Nanohertz-Gravitationswellen geben muss. Der Hauptverdächtige? Ein Phasenübergang kurz nach dem Urknall – ein supercooler, um genau zu sein.

„Wir haben herausgefunden, dass der Übergang supercool sein muss, um Wellen mit so winzigen Frequenzen zu erzeugen“, erklärt Fowlie.

Es gibt jedoch ein Problem. Solche kosmischen unterkühlten Übergangsphasen wären während der durch den Urknall ausgelösten rasanten kosmischen Inflation (d. h. der Expansion des Universums) etwas unerwartet.

„Diese langsamen Übergänge würden nur schwer zu Ende gehen, da die Übergangsrate langsamer ist als die kosmische Expansionsrate des Universums“, so Fowlie. „Was wäre, wenn sich der Übergang am Ende beschleunigen würde? Wir haben errechnet, dass selbst wenn dies dem Übergang zum Ende verhelfen würde, sich die Frequenz der Wellen von Nanohertz weg verschieben würde.“

Der Forscher fügte hinzu, dass Nanohertz-Gravitationswellen zwar kühl, aber wahrscheinlich nicht „unterkühlt“ sind.

„Wenn diese Gravitationswellen tatsächlich von Phasenübergängen erster Ordnung herrühren, wissen wir jetzt, dass es eine neue, viel reichhaltigere Physik geben muss – eine Physik, die wir noch nicht kennen“, sagte Fowlie.

Künstlerische Interpretation einer Reihe von Pulsaren, die von Gravitationswellen beeinflusst werden, die von einem supermassiven schwarzen Doppelloch in einer fernen Galaxie erzeugt werden. (Bildnachweis: Aurore Simonnet/NANOGrav)

Fowlie und Kollegen sind der Meinung, dass ihre Forschung zeigt, dass mehr Sorgfalt erforderlich ist, um unterkühlte Phasenübergänge zu verstehen, insbesondere solche, die am Anfang des Universums stattgefunden haben könnten.

„Da es sich zwangsläufig um langsame Übergänge handelt, funktionieren die üblichen Vereinfachungen, ob Übergänge abgeschlossen sind oder nicht, nicht“, sagte er. „Es gibt viele Feinheiten in den Zusammenhängen zwischen der Energieskala der Übergänge und der Frequenz der Wellen, so dass wir bei der Betrachtung von Gravitationswellen und unterkühlten Übergängen vorsichtigere und ausgefeiltere Techniken benötigen.

„Das Verständnis dieses Feldes wird uns helfen, die grundlegendsten Fragen über den Ursprung des Universums zu verstehen.“

Ein besseres Verständnis der unterkühlten Phasenübergänge könnte auch dazu beitragen, mehr irdische und weniger kosmische Phasenübergänge zu verstehen.

„Es gibt auch Verbindungen zu Anwendungen, die uns näher liegen, wie zum Beispiel zu verstehen, wie Wasser durch ein Gestein fließt, wie man am besten Kaffee trinkt und wie sich Waldbrände ausbreiten“, so Fowlie abschließend.

Die Forschungsergebnisse des Teams werden in einem Artikel in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.