Inflationäres Universum bezeichnet eine Phase extrem rascher Expansion des Universums, von der man annimmt, dass sie unmittelbar nach dem Urknall stattgefunden hat.

Je nach zugrunde liegenden Annahmen begann sie zwischen 10^-43 s, d.h. der Planck-Zeit, und damit dem Beginn des Urknalls selbst, und 10^-35 s und dauerte bis zu einem Zeitpunkt zwischen 10^-33 s und 10^-30 s nach dem Urknall. In dieser Zeit soll sich das Universum exponentiell um einen ungeheuren Faktor zwischen 10³⁰ und 10⁵⁰ ausgedehnt haben. Dennoch hätte der Bereich des heute sichtbaren Universums danach nur einen Durchmesser der Größenordnung 1 m gehabt. Anschließend setzte das Universum seine Expansion im Rahmen des Standard-Urknall-Modells fort wie von der Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben.

Die Hypothese von dieser inflationären Expansion wurde 1981 von Alan H. Guth vorgeschlagen. Danach ist die Ursache dieser Expansion die Zustandsänderung des Inflatonfeldes, einem skalaren Feld mit einem extrem flachen Potential. Dieses skalare Feld hat eine Zustandsgleichung mit negativem Druck, was nach der Allgemeinen Relativitätstheorie zu einer abstoßenden Kraft und damit zu einer Ausdehnung des Universums führt. Die Zustandsänderung des Feldes während der inflationären Phase ist mit einem Phasenübergang 1. Ordnung vergleichbar.

Die Annahme einer derartigen inflationären Expansion ist einerseits extrem, 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.

Die Hypothese von einer inflationären Expansion ist Forschungsgebiet, auf dem noch zahlreiche Varianten diskutiert werden. Insbesondere ist die Natur der Teilchen bzw. Felder, die den erforderlichen Vakuumzustand verursacht haben könnten, noch völlig ungeklärt. Nach neueren Entfernungsmessungen anhand von entfernten Cepheiden in anderen Galaxien ist ein weiteres Problem hinzugekommen. Nach diesen Messungen müsste das Universum vor circa 5 Milliarden Jahren eine weitere Phase extremen Wachstums gemacht haben. Die Ursachen dafür sind noch völlig unklar.

Zitat

• Laut Inflationstheorie sind die mehr als hundert Milliarden Galaxien, die im All wie himmlische Diamanten schimmern, nichts als Quantenmechanik, die in großen Buchstaben an den Himmel geschrieben wurde. Für mich ist diese Erkenntnis eines der größten Wunder des modernen wissenschaftlichen Zeitalters. – Brian Greene (Der Stoff, aus dem der Kosmos ist, ISBN 388680738X, S. 349)

Siehe auch

• Ekpyrotisches Universum
• Weylkrümmungshypothese

Literatur

• Alan H. Guth: Die Geburt des Kosmos aus dem Nichts - Die Theorie des inflationären Universums, Knaur Verlag, München 1999
• Alan H. Guth, Paul J. Steinhardt: Das inflationäre Universum, Spektrum der Wissenschaft, 7/1984
• Jonathan J. Halliwell: Quantenkosmologie und die Entstehung des Universums, Spektrum der Wissenschaft, 2/1992, S. 50

Kosmologie

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