Dem Geheimnis unseres Universums auf der Spur
Planck - eine europäische Zeitmaschine auf der Suche nach dem Ursprung allen Lebens
Jedesmal wenn du den Himmel betrachtest, machst Du eine kleine Reise durch die Zeit. Wenn du einen Stern betrachtest, der 100 000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, siehst du ihn so, wie er vor 100 000 Jahren war. Sein Licht hat all diese Zeit benötigt, um ihn für uns sichtbar zu machen - ein kleiner menschlicher Ausflug in unsere Vorzeit. Der Weg der neuen europäischen Mission Planck führt sehr viel tiefer in die Vergangenheit, auf den Spuren unseres Ursprungs - zu den Anfängen unseres Universums, ungefähr 13,7 Milliarden Jahre zurück in unserer Zeit. Sie soll das "erste Licht" ermitteln, das Informationen über unsere Vergangenheit und Zukunft trägt - indem sie die "älteste" nachweisbare Strahlung beobachtet, wird sie das Universum sehen, wie es fast an seinem Ursprung war.
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| Planck - auf den Spuren unseres Universums. Bild: ESA |
Diese Mission wurde passender weise nach dem berühmten deutschen Physiker Max Planck (1858-1947) benannt, der das exakte Gesetz der schwarzen Wärmestrahlung, das "Plancksche Strahlungsgesetz" , entwarf und somit die Quantentheorie ins Leben rief, die die Physik revolutionierte. Für die Begründung der Quantentheorie erhielt er 1918 den Physik-Nobelpreis.
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"Planck" unternimmt für uns 90 Jahre später eine Reise durch Raum und Zeit, um den Astronomen und Wissenschaftlern einige signifikante Schlüssel-Fragen zu den Entstehungstheorien unseres Universums zu beantworten, die da unter anderem lauten: Setzt das Universum seine Expansion für immer fort, oder kollabiert es irgendwann? Wie sah die Frühphase unseres Universums aus? Was sind die Grundvoraussetzungen für die Entwicklung der Universums-Struktur? Was genau steckt hinter der schwarzen Materie und der dunklen Energie?
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| Max Planck um 1932 an seinem Arbeitstisch. Bild: Deutsches Historisches Museum, Berlin |
Fragen, auf die sich die Wissenschaftler Antworten erhoffen, wenn sich Ende Juli 2008 der Satellit, aus Kostengründen gemeinsam mit dem Weltraumteleskop Herschel das zur Erforschung der Entstehung von Galaxien, Sternen und planetaren Systemen im Infrarotbereich entwickelt wurde, mit einer Ariane 5 vom Weltraumbahnhof in Kourou, Französisch Guayana, auf den Weg ins All macht. Die Reise führt das Satellitenpaar Planck und Herschel aber zu unterschiedlichen Punkten im Weltraum, so dass sie sich ca. Stunde nach dem Start im Orbit trennen.
Nach einer ca. viermonatigen "Tour durchs All" wird Planck am Ziel der Reise angelangt sein, dem Lagrange-Punkt L2. Dort, in einer Entfernung von 1.5 Millionen Kilometer von der Erde - in Verlängerung der Verbindungslinie Sonne-Erde -, wirkt auf ihn die gemeinsame Anziehungskraft von Sonne und Erde, sodass er trotz des größeren Sonnenabstandes genauso schnell um die Sonne läuft wie unser Heimatplanet.
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| Diagramm der Lagrange-Punkte im Verbund mit dem Sonne-Erde-System. Zielpunkt der Planck-Mission: Der Lagrange-Punkt (L2). Bild: ESA |
Planck-Mission
Die genaue Erforschung der seit dem Urknall bestehenden kosmischen Hintergrundstrahlung ist Ziel der ESA-Mission Planck. Die Hintergrundstrahlung ist ein Relikt aus der Frühzeit unseres Universums, nur wenige Hunderttausend Jahre nach dem Urknall entstanden, als das Universum noch einige Tausend Grad heiß war. Zu dieser Zeit verbanden 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 ca. 2,7 Kelvin empfangen werden. Sie erreichen die Erde mit sehr hoher Gleichförmigkeit aus allen Richtungen. Die größte Temperaturabweichung von ca. 0,1% wird durch die Bewegung der Milchstraße relativ zum Mikrowellenhintergrund verursacht. Bei ca. 0,001% und kleiner beobachtet man Strukturen, deren Ursprung in der frühen, heißen Phase der kosmologischen Entwicklung liegt.
Planck soll nun die bisher genaueste Kartierung der im All verteilten kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung vornehmen. Seine Instrumente können Temperaturunterschiede von wenigen Millionstel Grad wahrnehmen und sollen den gesamten Himmel in neun Wellenlängen durchmustern.
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| Kosmische Hintergrundstrahlung aufgenommen durch den Satelliten WMAP. Die Messungen dieser NASA-Mission, die am 30. Juni 2001 startete, liefert den bisher besten Beweis, dass am Anfang der Big Bang/Urknall stand - und, dass sich das Universum mit riesiger Geschwindigkeit ausdehnte/dehnt. Bild: NASA/JPL |
Technik "on Board"
Der Planck-Satellit besitzt ein Teleskop mit einem Spiegeldurchmesser von 1,5 mal 1,75 m und zwei Hochleistungsinstrumente, die die Mikrowellenstrahlung in unterschiedlichen Frequenzbändern messen. Dies ermöglicht die Trennung von galaktischen und extragalaktischen Vordergrundquellen und der gesuchten kosmologischen Strahlung:
HFI (High Frequency Instrument): 83 GHz - 1 THz Bolometrischer Detector Array, betrieben bei 0.1 Kelvin, entwickelt vom Institut d'Astrophysique Spatiale in Orsay, Frankreich.
Das Hochfrequenzinstrument besteht aus einer Reihe von 52 bolometrischen Detektoren, die die Strahlung in Hitze umwandeln und bei - 272.9°C operieren. Die Menge an Hitze wird dann durch ein kleines elektrisches Thermometer gemessen. Die HFI-Detektoren arbeiten in sechs Frequenzkanälen zwischen 100 und 857 Gigahertz.
LFI (Low Frequency Instrument): 27 - 77 GHz "High Electron Mobility Transistor (HEMT) Radio Receiver Array", es wurde vom Istituto di Tecnologie e Studio delle Radiazioni Extraterrestri in Bologna in Italien entwickelt.
Dieses Niederfrequenzinstrument besteht aus einer Reihe von 22 Radioreceivern, die bei Temperaturen - 253°C operieren. Die Empfänger arbeiten gruppiert in vier Frequenzkanälen zwischen 30 und 100 Gigahertz. Sie basieren auf den so genannten HEMTs (High Electron Mobility Transistors) und arbeiten wie Transistorradios. Die Transistoren verstärken das Signal, das durch die Antenne (Teleskop) gesammelt wird und das verstärkte Signal wird dann Spannung umgewandelt. In einem normalen Radio würde das ermittelte Signal an einen Lautsprecher weitergeleitet, aber in Planck wird es stattdessen in einem Computer zur späteren Analyse gespeichert.
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| : Wissenschaftler des Italienischen Instituts IASF in Bologna sind verantwortlich für das reibungslose Funktionieren des Niederfrequenzinstruments (LFI). Bild: IASF-BO |
Software "Made in Germany"
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 später zur Analyse der Beobachtungsdaten benötigt werden. Zusätzlich bauen sie ein Datenzentrum die Bereitstellung der aufbereiteten Daten für die astronomische Gemeinschaft auf.
Ende Februar steht nun der Abschluss der Integrationsphase an. Nach Abschluss wird der Satellit Planck bis Anfang 2008 noch eine Reihe von Tests durchlaufen, bis er Ende Juli 2008 startbereit ist.
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Kostensparende Maßnahme: Die Start-Doppel-Konfiguration Planck (unten) und Herschel(oben) in einer Ariane 5. Bild: ESA |
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