Planck - Untersuchung der kosmischen Hintergrundstrahlung



 

Start: 14. Mai 2009, Missionsende: 23. Oktober 2013

Die Planck-Mission

Die kosmische Hintergrundstrahlung ist ein Relikt aus der Frühzeit unseres Universums. Sie ist nur wenige hunderttausend Jahre nach dem Urknall entstanden, als das Weltall noch einige tausend Grad heiß war. Zu dieser Zeit vereinigten sich freie Protonen und Elektronen, die die Richtung der Strahlung abgelenkt hatten, zu neutralen Wasserstoffatomen und das Universum wurde durchsichtig.

Seitdem bewegen sich die Photonen dieser Strahlung nahezu ungehindert durchs All, nur ihre Energie verringerte sich aufgrund der kosmischen Expansion, so dass sie heute im Mikrowellenbereich mit einer Temperatur von nur noch etwa 2,7 Kelvin (etwa minus 270 Grad Celsius) empfangen werden.

 

 Künstlerische Darstellung des Planck-Satelliten
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Sie erreichen uns mit sehr hoher Gleichförmigkeit (Isotropie) aus allen Richtungen. Die größte Temperaturabweichung von rund 0,1 Prozent wird durch die Bewegung der Milchstraße relativ zum Mikrowellenhintergrund verursacht. Bei zirka 0,001 Prozent Abweichung und weniger beobachtet man Strukturen, deren Ursprung in der frühen, heißen Phase der kosmologischen Entwicklung liegt.

Ihre Entdeckung mit dem Satelliten COBE bedeutete einen Durchbruch für die Kosmologie, und wurde daher 2006 mit dem Physik-Nobelpreis für John Mather und George Smoot belohnt. Auch der Entdeckung der Hintergrundstrahlung im Jahre 1964 durch Arno Penzias und Robert Wilson war bereits der Physik-Nobelpreis (1978) zugesprochen worden.

 

 

 Die beiden Experimente in der Fokalebene des Planck-Satelliten
zum Bild Die beiden Experimente in der Fokalebene des Planck-Satelliten

Zur genaueren Messung der Temperaturfluktuationen in Abhängigkeit von ihrer Winkelausdehnung hat besonders das Satellitenteleskop WMAP der NASA beigetragen, das 2001 gestartet wurde.

Die Beobachtungsergebnisse flossen ein in ein Standardmodell für die Zusammensetzung des Universums: Man nimmt heute an, dass dessen Energiedichte dominiert wird von der Dunklen Energie (mehr als 70 Prozent), etwa 23 Prozent trägt die Dunkle Materie bei, und nur etwa vier Prozent sind Atome, aus denen das uns bekannte Universum zusammengesetzt ist.

Wissenschaftliche Ziele

Planck hat diese Messungen noch wesentlich verbessert. In neun Frequenzbändern wurden Karten des gesamten Himmels erstellt mit einer (frequenzabhängigen) Winkelauflösung zwischen 5 und 30 Bogenminuten (60 Bogenminuten entsprechen einem Grad). Die Messungen bei verschiedenen Frequenzen ermöglichen die Trennung von galaktischen und extragalaktischen Vordergrundquellen und der gesuchten kosmischen Hintergrundstrahlung. In den Planck-Karten sieht man Temperaturunterschiede von zirka 10 hoch -6 auf charakteristischen Winkelskalen, die in Verbindung mit Modellrechnungen Aufschluss über die Zusammensetzung des Universums liefern und dazu beitragen, solch fundamentale Fragen beantworten wie: Wie sah die Frühphase unseres Universums aus? Wie entwickelte es sich bis zu seinem heutigen Zustand? Wie wird die zukünftige Entwicklung aussehen? Woraus besteht das Universum?

Die Missionsziele im Einzelnen sind: 

  • Messung der Anisotropien in der kosmischen Hintergrundstrahlung, um die Parameter des kosmologischen Modells, das unser Universum beschreibt, mit höchster Genauigkeit zu bestimmen,
  • Messung der Polarisation der kosmischen Hintergrundstrahlung,
  • Tests von Inflationsmodellen für das frühe Universum,
  • Untersuchung von Keimzellen für die heute beobachteten Materie-Strukturen (Galaxien, Galaxienhaufen),
  • Messungen des Sunyaev-Zeldovich-Effektes, einer Abschwächung der Hintergrundstrahlung im Radiofrequenz-Bereich beim Durchgang durch Galaxienhaufen.

Erste Ergebnisse zur Kosmologie wurden 2013 veröffentlicht. Die vollständige Auswertung der Daten, insbesondere zur Polarisation, wird sich voraussichtlich noch bis 2015 hinziehen.

Auch die Vordergrundquellen sind Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen. Zahlreiche extragalaktische Quellen sowie Staub und Gas in unserer Milchstraße wurden mit Planck beobachtet. Daraus resultierten unter anderem ein Katalog von Galaxienhaufen und eine Analyse des durch Sternentstehung im frühen Universum erzeugten Infrarot-Hintergrunds.

Wissenschaftliche Nutzlast

Der Planck-Satellit trägt ein Teleskop mit einem Spiegeldurchmesser von 1,5 mal 1,75 Metern und mit zwei Instrumenten, die die Mikrowellenstrahlung in unterschiedlichen Frequenzbändern maßen.

 

Instrument Kurzbeschreibung Federführendes Institut


HFI (High Frequency Instrument)


83 Gigahertz - 1 Terahertz Bolometrischer Detector Array, betrieben bei 0.1 Kelvin

Institut d'Astrophysique Spatiale (Orsay, Frankreich)


LFI (Low Frequency Instrument)


27 - 77 Gigahertz High Electron Mobility Transistor (HEMT) Radio Receiver Array, betrieben bei 20 Kelvin


Istituto di Tecnologie e Studio delle Radiazioni Extraterrestri (Bologna, Italien)

Nachdem das Kühlmittel für das HFI Mitte Januar 2012 aufgebraucht war, wurde dieses Instrument abgeschaltet. Das LFI konnte noch bis August 2013 betrieben werden. Beide Instrumente lieferten circa 30 Monate parallel Daten, etwa doppelt so lange wie ursprünglich gefordert, und scannten dabei fünfmal den gesamten Himmel ab.

Deutscher Beitrag zu Planck

In Deutschland beteiligt sich das Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) in Garching an diesem Projekt. Wissenschaftler des MPA entwickeln Software für die Datenverarbeitung und den Informationsaustausch innerhalb der beiden Instrument-Konsortien. Sie schreiben Simulationsprogramme, die zum Testen der Datenverarbeitungsroutinen und zur Analyse der Beobachtungsdaten benötigt werden. 

Allgemeine Parameter des Planck-Satelliten und der Mission:

Start: 14. Mai 2009 von Kourou, Franz. Guayana
Trägerrakete: Ariane 5 ECA (zusammen mit dem Herschel-Satelliten)
Orbit: Lissajous-Orbit um den Lagrange-Punkt L2, ca. 1,5 Millionen km von der Erde entfernt
Missionsende: 23. Oktober 2013
Gesamtmasse des Satelliten beim Start: ca. 1.800 Kilogramm
Teleskop-Parameter: Hauptspiegel-Durchmesser: 1,5 Meter x 1,75 Meter
(weitere Parameter bei ESA)
Äußere Abmessungen des Satelliten: Höhe: 4,2 Meter
Durchmesser: max. 4,2 Meter
Bodenstation: Perth, Australien
Missionsbetriebszentrum: ESOC, Darmstadt, Deutschland

 


Contact
Josef Hoell
German Aerospace Center

Space Administration
, Space Science
Tel: +49 228 447-381

Fax: +49 228 447-745

E-Mail: Josef.Hoell@dlr.de
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http://www.esa.int/esaSC/120398_index_0_m.html
http://planck.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=17
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Herschel - Das europäische Infrarot-Observatorium (http://www.dlr.de/rd/en/desktopdefault.aspx/tabid-2448/3635_read-5477/usetemplate-print/)
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