Forschungsbericht 2011 - Max-Planck-Institut für Astrophysik

14 Milliarden Jahre kosmischer Geschichte in einem Jahr: Planck-Mission präsentiert erste Ergebnisse

Autoren
Enßlin, Torsten
Abteilungen
Kosmologie
Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching
Zusammenfassung
Die Planck Surveyor Satellitenmission zur Untersuchung des Urknalls vor 14 Mill. Jahren durch die Vermessung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds hat bereits in ihrem ersten Betriebsjahr zu beeindruckenden Ergebnissen geführt: ein Katalog von 15.000 Himmelsobjekten, 25 Fachartikel, sowie die bisher genaueste Vermessung des fernen Infrarothintergrundes, welcher die Sternenbildung im frühen Universum anzeigt. Das MPI für Astrophysik hat Software-Komponenten für Planck entwickelt und beteiligt sich an der wissenschaftlichen Auswertung der Missionsdaten.

Schon der Anfang der Mission verlief vielversprechend: Nach einer über 10-jährigen Vorbereitungsphase konnte die Planck-Kollaboration, zu der auch ein Team am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) zählt, einen Bilderbuchstart des Planck-Satelliten verfolgen. Pünktlich zur Ankunft des Satelliten an seinem Arbeitsplatz, etwa 1.5 Millionen Kilometer außerhalb der Erdumlaufbahn, waren im Sommer 2009 dann auch die empfindlichen Instrumente auf ihre Arbeitstemperatur von teilweise nur 0,1 Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt worden. Damit können sie nicht nur die 2,7 Kelvin kalte Reststrahlung des Urknalls sehen, den kosmischen Mikrowellenhintergrund, sondern auch dessen Temperaturvariationen von einigen Millionstel Grad genau kartographieren. Diese Temperaturschwankungen sind die ersten Zeugen der Entstehung aller beobachtbaren Strukturen im Universum, wie Sterne, Galaxien und Galaxienhaufen. Der Planck-Satellit kann zwar nur bis zu einer Zeit etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall zurückblicken, seine Daten ermöglichen aber Rückschlüsse auf die allerersten Sekundenbruchteile des Weltalls, in denen vor etwa 14 Milliarden Jahren die späteren kosmischen Strukturen bereits angelegt wurden.

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Original 1301994410
Von Planck aufgenommene Himmelskarte im Mikrowellenlicht. Sichtbar ist die Staubemission der Milchstraße als breites, horizontales Band. Am galaktischen Nord- und Südpol, d.h. oben und unten in dieser Himmelsprojektion, schimmern die Temperaturstrukturen des kosmischen Mikrowellenhintergrundes durch. Eine genaue Vermessung und Charakterisierung der galaktischen Vordergrundstrahlung erlaubt es, diese von einem Großteil der Himmelkarte zu entfernen um die aus den dahinterliegenden Bereichen des frühe Universum kommende Strahlung besser zu sehen.
Von Planck aufgenommene Himmelskarte im Mikrowellenlicht. Sichtbar ist die Staubemission der Milchstraße als breites, horizontales Band. Am galaktischen Nord- und Südpol, d.h. oben und unten in dieser Himmelsprojektion, schimmern die Temperaturstrukturen des kosmischen Mikrowellenhintergrundes durch. Eine genaue Vermessung und Charakterisierung der galaktischen Vordergrundstrahlung erlaubt es, diese von einem Großteil der Himmelkarte zu entfernen um die aus den dahinterliegenden Bereichen des frühe Universum kommende Strahlung besser zu sehen.

Plancks Ziel ist es, die Temperaturfluktuationen mit einer bisher noch nicht dagewesenen Genauigkeit zu vermessen. Dafür fährt Planck den Himmel mit Mikrowellenempfängern bei neun verschiedenen Frequenzen ab, die von hochfrequenter Radiostrahlung bei 30 Gigahertz (GHz) bis in den Bereich des Ferninfraroten bei 857 GHz reichen. Die Wissenschaftler benötigen diese breite Frequenzabdeckung, da Planck nicht nur Strahlung aus der Urzeit des Kosmos empfängt, sondern auch Störstrahlung von Galaxien. Da diese Strahlung aber einen anderen spektralen Verlauf hat als das Licht des Urknalls, kann sie durch die Multifrequenzmessung mit Planck identifiziert, genau vermessen und aus den Daten zur kosmischen Kinderstube herausgerechnet werden. Das die Kosmologen störende Vordergrundsignal bietet Galaxienforschern sozusagen als Beifang der Mission wertvolle Informationen.

Der Großteil dieses Vordergrundlichtes stammt von unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße (Abb. 1). Durch unsere Lage innerhalb der galaktischen Scheibe haben wir eine schöne Panoramasicht auf das interstellare Medium darin, vermittelt einerseits durch die Wärmestrahlung von Staubwolken bei hohen Frequenzen und durch die Radiostrahlung von fast lichtschnellen Elektronen im galaktischen Magnetfeld.

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Original 1301994415
Von Planck mittels des Sunyeav-Zeldovich Effektes entdeckter Super-Galaxienhaufen (links) und seine Bestätigung anhand der Röntgenstrahlung der heißen Galaxienhaufenatmosphäre mit dem Röntgenteleskop XMM-Newton (rechts).
Von Planck mittels des Sunyeav-Zeldovich Effektes entdeckter Super-Galaxienhaufen (links) und seine Bestätigung anhand der Röntgenstrahlung der heißen Galaxienhaufenatmosphäre mit dem Röntgenteleskop XMM-Newton (rechts).

Mittlerweile hat Planck den Himmel dreimal komplett durchmustert und somit sein Plansoll erreicht. Da der Satellit aber auch weiterhin hervorragend funktioniert, wird er vermutlich bis Anfang 2012 voll in Betrieb sein und weitere Daten liefern. Die Ergebnisse, die die Wissenschaftler durch die Daten des ersten Jahres gewonnen haben, wurden erstmals am 11. Januar 2011 der Öffentlichkeit vorgestellt. Zentrales Ergebnis war der "Early Release Compact Source Catalogue", eine Zusammenstellung von etwa 15.000 kompakten Himmelsobjekten (Abb. 2). Die frühe Herausgabe dieses Katalogs erlaubt es Wissenschaftlern mit anderen Teleskopen, zum Beispiel mit dem im gleichen Wellenlängenbereich messenden Herschel-Weltraumteleskop, detaillierte Nachfolgebeobachtungen zu unternehmen.

Zeitgleich mit dem Katalog wurden 25 Fachartikel veröffentlicht. Deren Themen erstrecken sich über viele Größenordnungen und Objekte und reichen von Studien der einzelnen Katalogobjekte über Analysen der Strahlung unserer eigenen Galaxie bis hin zu ersten kosmologischen Arbeiten über Galaxienhaufen und das Licht früher Galaxien. Zu den Glanzpunkten dieser Forschungsarbeiten zählen:

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Original 1301994422
Himmelsfelder in denen der kosmische Ferninfrarothintergrund untersucht wurde, da dort die galaktische Vordergrundstrahlung vergleichsweise schwach ist. Die Einzelbilder zeigen das aufgrund der unzähligen beitragenden Galaxien körnig strukturiert erscheinende Strahlungsfeld. Diese Strahlung stammt teilweise aus Epochen, als das Universum nur 2 Milliarden Jahre alt war bei einem heutigen Alter von etwa 14 Milliarden Jahren.
Himmelsfelder in denen der kosmische Ferninfrarothintergrund untersucht wurde, da dort die galaktische Vordergrundstrahlung vergleichsweise schwach ist. Die Einzelbilder zeigen das aufgrund der unzähligen beitragenden Galaxien körnig strukturiert erscheinende Strahlungsfeld. Diese Strahlung stammt teilweise aus Epochen, als das Universum nur 2 Milliarden Jahre alt war bei einem heutigen Alter von etwa 14 Milliarden Jahren.
  • die Bestätigung einer anomalen Mikrowellenstrahlung, die von galaktischem Staub ausgesandt wird und vermutlich von der schnellen Rotation kleiner, elektrisch geladener Staubteilchen herrührt;
  • die Kartographie einer dunklen Gaskomponente in unserer Galaxie, die nur im Mikrowellenbereich sichtbar ist;
  • die genaue Vermessung von 189 Galaxienhaufen sowie der Entdeckung von 30 neuen Galaxienhaufen aufgrund des Sunyaev-Zeldovich Effektes, der durch die Wechselwirkung der kosmischen Hintergrundstrahlung mit dem bis zu 100 Millionen Grad heißen Gas in der Atmosphäre von Galaxienhaufen entsteht (Abb. 3);
  • die erste Messung des theoretisch vorhergesagten Sunyaev-Zeldovich-Effektes auch in kleineren Galaxiengruppen, womit nun eine nahezu komplette Inventarisierung des vormals unsichtbaren Gases im Kosmos möglich wird;
  • die detaillierte Vermessung der Ferninfrarotstrahlung aller sternbildenden Galaxien im Universum (Abb. 4). Damit können die Wissenschaftler in die Geschichte der Galaxienbildung zurückblicken, bis zu einer Epoche, als das Universum mit zwei Milliarden Jahren nur ein Siebtel so alt war wie heute.
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Original 1302624741

Die nun vorgestellten Ergebnisse betreffen im Wesentlichen astrophysikalische Nebenprodukte der Planck-Mission. Die Veröffentlichung der Daten zum Primärziel von Planck, nämlich dem kosmischen Mikrowellenhintergrund, und den daraus erwarteten detaillierten Schlussfolgerungen über Alter, Struktur und Zusammensetzung des Universums sowie Einsichten in seinen Ursprung werden für Anfang 2013 erwartet. Bis dahin müssen die Störeffekte aus dem All, aber auch diejenigen der Instrumente noch genauer verstanden werden. Dazu wird unter anderem auch die Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für Astrophysik beitragen – ihre Software zur Datensimulation und -verarbeitung wird dabei auch weiterhin im täglichen Einsatz sein. Gleichzeitig werden die Wissenschaftler des Instituts, insbesondere die beiden Planck Co-Investigators Simon White und Rashid Sunyaev, der den Sunyaev-Zeldovich-Effekt 1969 vorhersagte sowie der Leiter der deutschen Planck-Beteiligung, Torsten Enßlin, mit ihren Arbeitsgruppen helfen, die wissenschaftliche Ausbeute der Mission zu mehren.

Anmerkung:

Die Softwareentwicklung am MPA für Planck wurde durch die Max-Planck-Gesellschaft und mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie durch die Raumfahrt-Agentur des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. unter dem Förderkennzeichen (FKZ) 50-OP-0901 gefördert.

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