Planck-Modell

Das Weltraumobservatorium Planck

Der europäische Satellit Planck wird ab 2008 den gesamten Himmel im Bereich der Mikrowellenstrahlung mit bislang unerreichter Detailgenauigkeit und Empfindlichkeit abbilden. Plancks wichtigstes Ziel ist die genaue Bestimmung der Eigenschaften des Universums im Großen.

Die Mikrowellen-Hintergrundstrahlung ist die älteste Kunde, die wir aus dem Universum empfangen. Winzige Temperaturschwankungen in dieser Reliktstrahlung bergen eine Fülle von Informationen über den Urzustand des Universums und seine Entwicklung. Diesem „kosmischen Fingerabdruck“ überlagert sind aber Signale aus späteren Epochen des Kosmos. Sie stammen vor allem von Galaxien, Galaxienhaufen und der Milchstraße. Planck wird es ermöglichen, die Hintergrundstrahlung mit bislang unerreichter Präzision zu studieren und unsere Erkenntnisse über das Universum erheblich zu erweitern.

Grafik, die verschiedene Entwicklungsstufen des Universums veranschaulichen soll. 13,7 Milliarden Jahre nach dem Urknall sieht man die heute beobachteten Strukturen mit Sternen und Galaxien. Etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall sieht man die kosmische Hintergrundstrahlung. Einen Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall bildeten sich die Elementarteilchen. Was davor geschah, ist unklar.
Schematische Entwicklungsstufen des Universums

Das Universum entstand aus einem sehr heißen, dichten Anfangszustand, dem Urknall. Anschließend dehnte es sich aus und kühlte dabei ab. Als seine Temperatur etwa 370.000 Jahre nach dem Urknall bis auf circa 3000 Kelvin gefallen war, entstanden die ersten Atome, und damit wurde das Gas durchsichtig für die vorhandene Strahlung. Heute ist das Universum etwa um das Tausendfache größer als damals, und seine Temperatur ist um denselben Faktor gesunken. Die Strahlung, die damals frei wurde, kühlte ebenfalls ab, das heißt ihre Wellenlänge vergrößerte sich. Heute erscheint sie uns deswegen im Mikrowellenbereich.

Die heutigen kosmischen Strukturen, wie Galaxien und Galaxienhaufen, waren damals schon angelegt und erscheinen als winzige Temperaturschwankungen in dem Mikrowellenhintergrund. Ihre Abweichung von der mittleren Temperatur, die 2,7 Kelvin beträgt, liegt im Bereich von Millionstel Grad. Diese Fluktuationen wurden 1992 mit dem Satelliten COBE (Cosmic Background Explorer) entdeckt und bilden eine der wichtigsten Informationsquellen über das Universum. Seit 2002 studiert das amerikanische Weltraumteleskop Wilkinson-MAP (WMAP) diese Strahlung. Planck wird die Detailgenauigkeit dieses Satelliten um das Dreifache und die Empfindlichkeit etwa um das Zehnfache steigern. Außerdem wird der beobachtete Wellenlängenbereich um das Dreifache erweitert und neben der Temperatur auch die Polarisation des Mikrowellenhintergrunds gemessen.

Plancks Instrumente und Beobachtungsweise

Halle, in der komplexe Bauteile stehen. Viele enthalten glänzende Folie.
Planck-Prototyp

Planck wird 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt stationiert. Von dort aus kann er – Erde und Sonne immer in seinem Rücken – die Mikrowellenstrahlung ungehindert beobachten. Er wird sich einmal pro Minute um sich selbst drehen, so dass das Teleskop in Kreisen den Himmel abtastet. Zwei Instrumente empfangen die Mikrowellenstrahlung: Das Niederfrequenz-Instrument (LFI) arbeitet zwischen einem Zentimeter und fünf Millimetern Wellenlänge, das Hochfrequenz-Instrument (HFI) zwischen 3 und 0,3 Millimetern. Dabei werden verschiedene Detektoren verwendet. Das LFI setzt Transistoren ein, das HFI Bolometer, welche die Erwärmung durch die einfallende Strahlung messen. Eine der größten technischen Herausforderungen besteht darin, die Detektoren auf Temperaturen unterhalb von einem Zehntel Kelvin abzukühlen. Der langsame Verbrauch des Kühlmittels wird Plancks Lebensdauer auf etwa ein Jahr beschränken. In dieser Zeit wird er den gesamten Himmel zweimal vollständig abbilden.

Störende Vordergründe

Zwei Abbildungen des selben Himmelsausschnitts. Links: Quadrat mit überwiegend hellblauem Hintergrund vor dem man links unten dunkelblaue und oben rechts gelbe bis rote Strukturen sieht. Recht: Dunkelblauer Hintergrund mit wenigen kleinen hellblauen Flecken.
In den Mikrowellenhimmel eingebettete Galaxienhaufen

In der zeitlichen Entwicklung des Universums bildeten sich nach der Emission der Mikrowellenstrahlung die kosmischen Strukturen. Sie erscheinen uns heute als Vordergrundobjekte und sind dem Strahlungsfeld überlagert. Diese Strukturen müssen zunächst sorgfältig aus den Aufnahmen entfernt werden, bevor sich die reine Mikrowellenstrahlung analysieren lässt. Zu diesen Strukturen gehören weit entfernte Galaxien mit vielen jungen Sternen, deren Strahlung in den Mikrowellenbereich hinein verschoben erscheint. Außerdem durchquert die Mikrowellenstrahlung häufig Galaxienhaufen. Dabei werden ihre Photonen durch die heißen Elektronen des Galaxienhaufens zu kleineren Wellenlängen hin gestreut. Deshalb werfen Galaxienhaufen bei Wellenlängen von mehr als 1,4 Millimetern einen Schatten, während sie bei kleineren Wellenlängen leuchten. Auch die Milchstraße emittiert Mikrowellenstrahlung durch verschiedene Mechanismen, zu denen die Synchrotronstrahlung schneller Elektronen und die Wärmestrahlung interstellarer Staubwolken gehört.

Diese Vordergrundobjekte lassen sich zuverlässig vom Mikrowellenhintergrund trennen, weil sie bei verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich hell strahlen. Während bei großen Wellenlängen die Synchrotronstrahlung überwiegt, dominiert bei kleinen Wellenlängen die Wärmestrahlung. Dazwischen liegt ein Fenster, in dem der Mikrowellenhintergrund besonders hell ist. Deswegen ist der breite Wellenlängenbereich von Planck so wichtig: Er ermöglicht es, den Mikrowellenhintergrund präzise freizulegen.

Was die genaue Bestimmung kosmologischer Parameter stört, ist gleichzeitig eine hoch willkommene Informationsquelle für die Astronomie. So wird Planck etwa 10.000 Galaxienhaufen finden, von denen ein großer Teil sehr weit entfernt sein wird. Anders gesagt: Planck sieht Objekte, die ihr heute empfangenes Licht in der Frühphase des Universums aussandten. Allein dadurch wird sich die Anzahl bekannter Galaxienhaufen etwa verdoppeln.

Simulation und Auswertung

Modell des Planck-Satelliten vor schwarzem Hintergrund. Man sieht das Spiegelsystem, das an den Trägerkörper montiert ist. Der Strahlengang der zu untersuchenden Strahlung ist angedeutet.
Modell des PLANCK-Satelliten

Deutschland wird im Planck-Projekt durch das Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) in Garching vertreten. Die dortige Gruppe ist für die Simulation wissenschaftlicher Daten verantwortlich – ein unentbehrliches Hilfsmittel bei der Vorbereitung auf die Datenauswertung. Daneben wird am MPA die Steuerungssoftware für die gesamte Datenanalyse entwickelt. Die Kosmologiegruppe am MPA bereitet sich intensiv auf die wissenschaftliche Auswertung der Planck-Daten vor.

Die Daten, die Planck ab Anfang 2008 liefern soll, werden es erlauben, die Eigenschaften des Universums im Großen sehr genau festzulegen. Damit wird dieses Teleskop das kosmologische Standardmodell weiter präzisieren. Die Forscher erhoffen sich insbesondere mehr Informationen über die Rätsel der Dunklen Materie und der Dunklen Energie sowie die Frühphase des Universums. Darüber hinaus wird Planck eine Fülle astronomisch höchst wertvoller Daten liefern. Deutschland trägt durch Simulation, Analyse und Interpretation der Daten wesentlich zu diesem zentralen kosmologischen Projekt bei.

Einige hundert Wissenschaftler aus den meisten Ländern Europas einschließlich Deutschlands sowie den USA und Kanada sind an Planck beteiligt. Die Deutschen Gruppen sind das Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching und das Institut für Theoretische Astrophysik der Universität Heidelberg. 

Lesen Sie mehr zur Datennahme und -analyse im Artikel Planck: Daten vom kosmischen Hintergrund