Braneworld stellt Einsteins allgemeine Relativitätstheorie in Frage. Bildnachweis: NASA. klicken um zu vergrößern
Wissenschaftler sind seit Jahren fasziniert von der Möglichkeit, dass es zusätzliche Dimensionen gibt, die über die drei, die wir Menschen verstehen können, hinausgehen. Jetzt glauben Forscher der Universitäten Duke und Rutgers, dass es eine Möglichkeit gibt, die fünfdimensionale Theorie (4 räumliche Dimensionen plus Zeit) der Gravitation zu testen, die mit Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie konkurriert. Diese zusätzliche Dimension sollte Auswirkungen auf den Kosmos haben, die durch Satelliten, die in den nächsten Jahren starten sollen, nachweisbar sind.
Wissenschaftler der Universitäten Duke und Rutgers haben einen mathematischen Rahmen entwickelt, der es Astronomen ermöglichen soll, eine neue fünfdimensionale Gravitationstheorie zu testen, die mit Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie konkurriert.
Charles R. Keeton von Rutgers und Arlie O. Petters von Duke stützen ihre Arbeit auf eine neuere Theorie namens Randall-Sundrum-Schwerkraftmodell vom Typ II. Die Theorie besagt, dass das sichtbare Universum eine Membran (daher „Braneworld“) ist, die in ein größeres Universum eingebettet ist, ähnlich wie ein dünner Algenstrang, der im Ozean schwimmt. Das „Braneworld-Universum“ hat fünf Dimensionen – vier räumliche Dimensionen plus Zeit – im Vergleich zu den vier Dimensionen – drei räumlich plus Zeit – die in der Allgemeinen Relativitätstheorie dargelegt sind.
Der von Keeton und Petters entwickelte Rahmen sagt bestimmte kosmologische Effekte voraus, die, wenn sie beobachtet werden, den Wissenschaftlern helfen sollten, die Theorie der Braneworld zu validieren. Die Beobachtungen sollten mit Satelliten möglich sein, die in den nächsten Jahren gestartet werden sollen.
Sollte sich die Braneworld-Theorie als wahr erweisen, „würde dies den Applecart verärgern“, sagte Petters. „Es würde bestätigen, dass es eine 4. Dimension in den Weltraum, was einen philosophischen Wandel in unserem Verständnis der natürlichen Welt bewirken würde.“
Die Ergebnisse der Wissenschaftler wurden am 24. Mai 2006 in der Online-Ausgabe der Zeitschrift Physical Review veröffentlicht. D. Keeton ist Professor für Astronomie und Physik an der Rutgers und Petters ist Professor für Mathematik und Physik an der Duke. Ihre Forschung wird von der National Science Foundation finanziert.
Das Braneworld-Modell von Randall-Sundrum – benannt nach seinen Begründern, den Physikern Lisa Randall von der Harvard University und Raman Sundrum von der Johns Hopkins University – bietet eine mathematische Beschreibung, wie die Schwerkraft das Universum formt, die sich von der Beschreibung der Allgemeinen Relativitätstheorie unterscheidet.
Keeton und Petters konzentrierten sich auf eine besondere gravitative Konsequenz der Braneworld-Theorie, die sie von Einsteins Theorie unterscheidet.
Die Braneworld-Theorie sagt voraus, dass relativ kleine „Schwarze Löcher“, die im frühen Universum geschaffen wurden, bis in die Gegenwart überlebt haben. Die Schwarzen Löcher mit einer Masse ähnlich einem winzigen Asteroiden wären Teil der „dunklen Materie“ im Universum. Wie der Name schon sagt, emittiert oder reflektiert dunkle Materie kein Licht, sondern übt eine Gravitationskraft aus.
Die Allgemeine Relativitätstheorie hingegen sagt voraus, dass solche urzeitlichen Schwarzen Löcher nicht mehr existieren, da sie inzwischen verdampft wären.
„Als wir abschätzten, wie weit die Schwarzen Löcher von Braneworld von der Erde entfernt sein könnten, waren wir überrascht, dass die nächsten genau innerhalb von Plutos Umlaufbahn liegen würden“, sagte Keeton.
Petters fügte hinzu: „Wenn die Schwarzen Löcher der Braneworld auch nur 1 Prozent der Dunklen Materie in unserem Teil der Galaxie bilden – eine vorsichtige Annahme –, sollte es in unserem Sonnensystem mehrere Tausend Schwarze Löcher der Braneworld geben.“
Aber gibt es Schwarze Löcher der Braneworld wirklich – und stehen sie daher als Beweis für die 5-D-Braneworld-Theorie?
Die Wissenschaftler zeigten, dass es möglich sein sollte, diese Frage zu beantworten, indem sie die Auswirkungen beobachteten, die Schwarze Löcher der Braneworld auf die elektromagnetische Strahlung ausüben, die von anderen Galaxien zur Erde gelangt. Auf jede solche Strahlung, die in der Nähe eines Schwarzen Lochs passiert, wirken die enormen Gravitationskräfte des Objekts – ein Effekt, der als „Gravitationslinseneffekt“ bezeichnet wird.
'Ein guter Ort, um nach Gravitationslinsen durch Schwarze Löcher der Braneworld zu suchen, sind Gammastrahlenausbrüche, die auf die Erde kommen', sagte Keeton. Es wird angenommen, dass diese Gammastrahlenausbrüche durch enorme Explosionen im gesamten Universum erzeugt werden. Solche Ausbrüche aus dem Weltraum wurden in den 1960er Jahren versehentlich von der US-Luftwaffe entdeckt.
Keeton und Petters berechneten, dass die Schwarzen Löcher der Braneworld die Gammastrahlen auf die gleiche Weise behindern würden, wie ein Felsen in einem Teich vorbeiziehende Wellen behindert. Das Gestein erzeugt in seinem Sog ein „Interferenzmuster“, bei dem einige Wellenberge höher, einige Täler tiefer sind und sich einige Spitzen und Täler gegenseitig aufheben. Das Interferenzmuster trägt die Signatur der Eigenschaften sowohl des Gesteins als auch des Wassers.
In ähnlicher Weise würde ein Schwarzes Loch der Braneworld ein Interferenzmuster in einem vorbeiziehenden Ausbruch von Gammastrahlen erzeugen, wenn sie zur Erde reisen, sagten Keeton und Petters. Die Wissenschaftler sagten die resultierenden hellen und dunklen „Säume“ im Interferenzmuster voraus, von denen sie sagten, dass sie Charakteristika von Schwarzen Löchern der Braneworld und damit von Raum und Zeit ableiten können.
„Wir haben entdeckt, dass in den Interferenzmustern die Signatur einer vierten Raumdimension auftaucht“, sagte Petters. „Diese zusätzliche räumliche Dimension erzeugt eine Kontraktion zwischen den Rändern im Vergleich zu dem, was man in der Allgemeinen Relativitätstheorie erhalten würde.“
Petters und Keeton sagten, es sollte möglich sein, die vorhergesagten Gammastrahlen-Streifenmuster mit dem Gamma-ray Large Area Space Telescope zu messen, das im August 2007 auf einer Raumsonde gestartet werden soll. Das Teleskop ist eine gemeinsame Anstrengung der NASA, der US-Energieministerium und Institutionen in Frankreich, Deutschland, Japan, Italien und Schweden.
Die Wissenschaftler sagten, ihre Vorhersage würde für alle Schwarzen Löcher der Braneworld gelten, sei es in unserem Sonnensystem oder darüber hinaus.
'Wenn die Braneworld-Theorie richtig ist', sagten sie, 'sollte es im ganzen Universum noch viele, viel mehr schwarze Löcher der Braneworld geben, von denen jedes die Signatur einer vierten Dimension des Weltraums trägt.'
Originalquelle: Duke University
