Kosmische Inflation

Als kosmologische Inflation wird eine Phase extrem rascher Expansion des Universums bezeichnet, von der man annimmt, dass sie unmittelbar nach dem Urknall stattgefunden hat.


Bei einem Alter von 10−36 s sank die Temperatur auf etwa 1027 K ab. Auf der Grundlage von GUT-Modellen nimmt man an, dass sich die Starke Wechselwirkung bei dieser Temperatur von der GUT-Kraft abspaltete.


Die bei der verzögerten Abspaltung freigewordene Energie führte zu einer Phase extrem rascher Expansion, der so genannten Inflation, wobei zwischen den Zeitpunkten 10−35 s und 10−33 s eine Ausdehnung um einen Faktor von etwa 1050 stattfand. Diese überlichtschnelle Ausdehnung des Universums steht nicht im Widerspruch zur Relativitätstheorie, da diese nur eine überlichtschnelle Bewegung im Raum, nicht jedoch eine überlichtschnelle Ausdehnung des Raumes selbst verbietet. Der Bereich, der dem heute beobachtbaren Universum entspricht, hätte dabei der Theorie zufolge von einem Durchmesser, der den eines Protons weit unterschreitet, auf etwa 10 cm expandieren müssen.

Die Annahme einer derartigen inflationären Expansion erscheint einerseits willkürlich, andererseits löst sie elegant mehrere größere kosmologische Probleme:

  • Das heute sichtbare Universum enthält überall im Wesentlichen ähnliche Strukturen. Andererseits besteht es aus Gebieten, die bei einer Standard-Expansion erst sehr spät kausal miteinander in Wechselwirkung treten konnten, da sie sich unmittelbar nach dem Urknall zunächst mit Überlichtgeschwindigkeit voneinander entfernt haben. Die beobachtete Homogenität des Universums sowie die der kosmischen Hintergrundstrahlung wird daher als Horizontproblem bezeichnet und ist im Rahmen einer Standard-Expansion nicht erklärbar. Bei Existenz einer inflationären Expansion dagegen hätten alle Bereiche des heute sichtbaren Universums vor dieser Inflation bereits vorübergehend in Wechselwirkung gestanden.
  • Der Bereich des heute sichtbaren Universums weist keine messbare Raumkrümmung auf. Im Rahmen einer Standard-Expansion wäre dazu unmittelbar nach dem Urknall eine extrem exakte Abstimmung von Materiedichte und kinetischer Energie erforderlich gewesen, für die es keine Erklärung gibt. Für den Fall einer inflationären Expansion dagegen wäre die beobachtete Flachheit des Raumes lediglich eine Folge seiner ungeheuren Ausdehnung, da das heute sichtbare Universum nur einen winzigen Ausschnitt repräsentieren würde.
  • Die Inflations-Hypothese erklärt darüber hinaus die Dichtefluktuationen, aus denen die Galaxien und Galaxienhaufen hervorgegangen sind, als Folge von Quantenfluktuationen des Inflatonfeldes. Die extreme Expansion vergrößerte diese Fluktuationen auf entsprechend makroskopische Größe, was eine Standard-Expansion nicht in ausreichendem Maße hätte leisten können.
  • Nach gewissen Theorien sollten beim Urknall auch magnetische Monopole entstanden sein, die sich jedoch bis heute einem experimentellen Nachweis entzogen haben. Während einer inflationären Expansion hätte die Teilchenzahldichte dieser Monopole jedoch dermaßen abgenommen, dass die Wahrscheinlichkeit, im Bereich des heute sichtbaren Universums einzelne zu finden, äußerst gering wäre - in Übereinstimmung mit der experimentellen Datenlage


Vereinfachte Darstellung des Horizontproblems


Ohne die Inflation hätten Gebiete, die wir in gegenüberliegenden Teilen des Universums beobachten,  nie ausreichend Zeit gehabt, einander anzugleichen und einen überregionalen Gleichgewichtszustand zu erreichen. Die vorgeschlagene Inflation dagegen ermöglicht die Annahme, das Universum sei anfangs viel kleiner gewesen, so dass es diesen Gleichgewichtszustand erlangen konnte, bevor die Inflation einsetzte. Regionen mit Rest-Unterschieden wären dann durch die Inflation so weit auseinandergetrieben worden, dass sie heute (und für immer) jenseits unseres Horizontes liegen. Im Umkehrschluss heißt dies natürlich, dass wir nur einen winzigen Ausschnitt des Universums wirklich überblicken und darin nur die Unterschiede erkennen, die anfangs in unserer unmittelbaren Umgebung existierten – und die müssen naturgemäß sehr gering ausfallen.


Wenn wir vom Universum sprechen, dann meinen wir immer das beobachtbare (sichtbare, überschaubare)  Universum. Das Universum selbst müsste allerdings viel größer sein als jener Teil, den wir überblicken. Während wir nur rund 1010 Lichtjahre weit schauen können, hätte die „inflationäre Blase“ des Universums eine Ausdehnung von 102000 Lichtjahren. Das wir  nur etwas 13,7 Milliarden weit ins Weltall schauen können, liegt daran, dass das Licht mit seiner Geschwindigkeit von 300.000 Kilometer pro Sekunde in der seit dem Beginn der Expansion verflossenen Zeit von rund 13,7 Milliarden Jahren auch nur 13,7 Milliarden Lichtjahre weit gekommen ist.

Quelle: Wikipedia