Braneworld stellt Einsteins allgemeine Relativitätstheorie in Frage. klicken um zu vergrößern
Wissenschaftler sind seit Jahren fasziniert von der Möglichkeit, dass es zusätzliche Dimensionen gibt, die über die drei hinausgehen, die wir Menschen verstehen können. Jetzt glauben Forscher von den Universitäten Duke und Rutgers, dass es eine Möglichkeit gibt, die fünfdimensionale Theorie (4 räumliche Dimensionen plus Zeit) der Schwerkraft zu testen, die mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie konkurriert. Diese zusätzliche Dimension sollte Auswirkungen auf den Kosmos haben, die von Satelliten erkannt werden können, deren Start in den nächsten Jahren geplant ist.
Wissenschaftler an den Universitäten Duke und Rutgers haben einen mathematischen Rahmen entwickelt, der es Astronomen ermöglichen soll, eine neue fünfdimensionale Gravitationstheorie zu testen, die mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie konkurriert.
Charles R. Keeton von Rutgers und Arlie O. Petters von Duke stützen ihre Arbeit auf eine neuere Theorie, die als Randall-Sundrum-Braneworld-Schwerkraftmodell Typ II bezeichnet wird. Die Theorie besagt, dass das sichtbare Universum eine Membran (daher „Braneworld“) ist, die in ein größeres Universum eingebettet ist, ähnlich wie ein Strang filmiger Algen, der im Ozean schwimmt. Das „Braneworld-Universum“ hat fünf Dimensionen - vier räumliche Dimensionen plus Zeit - im Vergleich zu den vier Dimensionen - drei räumliche Dimensionen plus Zeit -, die in der Allgemeinen Relativitätstheorie festgelegt sind.
Das von Keeton und Petters entwickelte Framework sagt bestimmte kosmologische Effekte voraus, die, wenn sie beobachtet werden, Wissenschaftlern helfen sollten, die Braneworld-Theorie zu validieren. Die Beobachtungen sollten mit Satelliten möglich sein, deren Start in den nächsten Jahren geplant ist.
Wenn sich die Braneworld-Theorie als wahr herausstellt, "würde dies den Apfelkarren verärgern", sagte Petters. "Es würde bestätigen, dass der Raum eine vierte Dimension hat, die eine philosophische Veränderung 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 bei Rutgers und Petters ist Professor für Mathematik und Physik bei Duke. Ihre Forschung wird von der National Science Foundation finanziert.
Das Randall-Sundrum-Braneworld-Modell - benannt nach seinen Urhebern, 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 bestimmte Gravitationsfolge der Braneworld-Theorie, die sie von Einsteins Theorie unterscheidet.
Die Braneworld-Theorie sagt voraus, dass relativ kleine „Schwarze Löcher“, die im frühen Universum entstanden sind, bis heute 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 sagt andererseits voraus, dass solche ursprünglichen Schwarzen Löcher nicht mehr existieren, da sie inzwischen verdunstet wären.
"Als wir abschätzten, wie weit die schwarzen Löcher der Kleewelt von der Erde entfernt sein könnten, waren wir überrascht, dass die nächsten Löcher gut in Plutos Umlaufbahn liegen würden", sagte Keeton.
Petters fügte hinzu: "Wenn Braneworld-Schwarze Löcher in unserem Teil der Galaxie sogar 1 Prozent der dunklen Materie ausmachen - eine vorsichtige Annahme -, sollte es in unserem Sonnensystem mehrere tausend Braneworld-Schwarze Löcher geben."
Aber gibt es wirklich schwarze Löcher in der Braneworld - und damit einen 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 Braneworld-Schwarze Löcher auf elektromagnetische Strahlung haben würden, die von anderen Galaxien zur Erde wandert. Jede solche Strahlung, die in der Nähe eines Schwarzen Lochs vorbeizieht, wird von den enormen Gravitationskräften des Objekts beeinflusst - ein Effekt, der als "Gravitationslinsen" bezeichnet wird.
"Ein guter Ort, um nach Gravitationslinsen durch schwarze Löcher der Kleewelt zu suchen, sind Gammastrahlen, die auf die Erde kommen", sagte Keeton. Es wird angenommen, dass diese Gammastrahlenexplosionen durch enorme Explosionen im gesamten Universum erzeugt werden. Solche Ausbrüche aus dem Weltraum wurden in den 1960er Jahren von der US-Luftwaffe versehentlich entdeckt.
Keeton und Petters errechneten, dass schwarze Löcher in der Braneworld die Gammastrahlen auf die gleiche Weise behindern würden, wie ein Stein in einem Teich vorbeiziehende Wellen behindert. Das Gestein erzeugt in seinem Kielwasser ein „Interferenzmuster“, bei dem einige Welligkeitsspitzen höher sind, einige Täler tiefer sind und einige Spitzen und Täler sich gegenseitig aufheben. Das Interferenzmuster trägt die Signatur der Eigenschaften sowohl des Gesteins als auch des Wassers.
In ähnlicher Weise würde ein Schwarzes Loch der Kleewelt ein Interferenzmuster in einem vorbeiziehenden Ausbruch von Gammastrahlen erzeugen, wenn sie zur Erde wandern, sagten Keeton und Petters. Die Wissenschaftler sagten die resultierenden hellen und dunklen „Ränder“ im Interferenzmuster voraus, von denen sie sagten, dass sie ein Mittel sind, um auf die Eigenschaften von Schwarzen Löchern der Braneworld und damit von Raum und Zeit zu schließen.
"Wir haben festgestellt, dass die Signatur einer vierten Dimension des Raums in den Interferenzmustern erscheint", sagte Petters. "Diese zusätzliche räumliche Dimension führt zu einer Kontraktion zwischen den Rändern im Vergleich zu der allgemeinen Relativitätstheorie."
Petters und Keeton sagten, es sollte möglich sein, die vorhergesagten Gammastrahlen-Streifenmuster mit dem großflächigen Gammastrahlen-Weltraumteleskop zu messen, das im August 2007 auf einem Raumschiff gestartet werden soll. Das Teleskop ist eine gemeinsame Anstrengung der NASA US-Energieministerium und Institutionen in Frankreich, Deutschland, Japan, Italien und Schweden.
Die Wissenschaftler sagten, ihre Vorhersage würde für alle schwarzen Löcher der Kleewelt gelten, ob in unserem Sonnensystem oder darüber hinaus.
"Wenn die Braneworld-Theorie richtig ist", sagten sie, "sollte es im gesamten Universum viele, viele weitere Braneworld-Schwarze Löcher geben, die jeweils die Signatur einer vierten Dimension des Raums tragen."
Ursprüngliche Quelle: Duke University
