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Abb. 1:
Eine Visualisierung der Polarisation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds
(CMB), wie sie vom Planck-Satelliten über den gesamten Himmel vermessen wurde.
Ein kleiner Bruchteil des CMB ist polarisiert - das Licht schwingt in einer
bevorzugten Richtung. In diesem Bild repräsentiert die Farbskala
Temperaturdifferenzen im CMB, während die Textur die Richtung des polarisierten
Lichts andeutet. Die dabei sichtbaren Muster sind charakteristisch für
Polarisation im "E-Modus", die dominierende Form der Polarisation beim CMB.
Credits: ESA and the Planck Collaboration
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Abb. 2:
Detailansicht der Karte aus Abb. 1 über ein kleines Fleckchen Himmel mit 5°
Seitenlänge.
Credits: ESA and the Planck Collaboration
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Abb. 3:
Das Zusammenspiel von interstellarem Staub in der Milchstraße und der Struktur
des galaktischen Magnetfelds, vermessen vom Planck-Satelliten.
Plancks Aufgabe war es, das älteste Licht des Universums aufzuzeichnen - den
kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB). Dabei detektierte der Satellit aber
auch erhebliche Vordergrundstrahlung von Gas und Staub in unserer Galaxie - ein
Ärgernis für kosmologische Studien, ein unschätzbarer Gewinn für
Studien der Geburt von Sternen und Wetterphänomene in unserer Milchstraße.
Interstellare Gas- und Staub-Wolken werden vom Magnetfeld der Galaxie
durchzogen; dabei neigen die Staubkörner dazu, sich entsprechend der Richtung
des Feldes ausrichten. Das von den Staubkörnchen emittierte Teil ist daher
"polarisiert", d.h. es schwingt in einer bevorzugten Richtung. Dies kann mit
den
polarisationsempfindlichen Detektoren auf Planck nachgewiesen werden.
Wissenschaftler am MPA und in der Planck Collaboration werten diese
Polarisationsdaten aus, um die Verteilung des interstellaren Staubes und das
Magnetfeld der Galaxie zu rekonstruieren, seine Rolle bei der Bildung von
Strukturen in der Milchstraße zu verstehen und damit die Sternentstehung zu
untersuchen.
Credits: ESA and the Planck Collaboration
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Die Geschichte unseres Universums begann vor 13,8 Milliarden Jahren. Für die
Wissenschaftler, die versuchen seine Entwicklung zu verstehen, ist der
kosmischen Mikrowellenhintergrunds oder CMB (engl. Cosmic Microwave Background)
eine der wichtigsten Informationsquellen. Dieses fossile Licht stammt aus
einer Zeit nur 380 000 Jahre nach dem Urknall, als das Universum noch sehr heiß
und dicht war. Durch die Expansion des Universums sehen wir dieses Licht heute
über den gesamten Himmel bei Mikrowellen-Wellenlängen.
Von 2009 bis 2013 erstellte Planck mehrere komplette Himmelskarten dieses
urzeitlichen Lichtes in bisher unerreichter Genauigkeit. Winzige
Temperaturunterschiede zwischen den verschiedenen Regionen zeigen dabei, dass
die Dichte im frühen Kosmos nicht ganz uniform war - aus diesen kleinen
Fluktuationen entstanden alle zukünftigen Strukturen: die Sterne und Galaxien
von heute. In den letzten zwei Jahren veröffentlichten Forscher der
Planck-Kollaboration die Ergebnisse aus der Analyse dieser Daten in einer
Vielzahl von wissenschaftlichen Arbeiten und bestätigten das kosmologische
Standardmodell unseres Universums mit immer höherer Genauigkeit (siehe z.B.
hier).
"Die detaillierte Karte der CMB-Temperaturstrukturen kann als eines der
Schlüsselergebnisse der Wissenschaft des einundzwanzigsten Jahrhunderts
betrachtet werden", erklärt Simon White, Direktor am Max-Planck-Institut für
Astrophysik und Co-Investigator von Planck. "Es ist ein detailreiches Bild der
Grenzen des sichtbaren Universums, das uns seine Struktur in allen Einzelheiten zeigt,
als es 40.000 Mal jünger war als heute. Es gibt uns sogar unsere besten
Hinweise, was zu noch früheren Zeiten im Universum geschah."
"Aber es gibt noch mehr: der CMB enthält zusätzliche Hinweise über unsere
kosmische Geschichte, die in seiner 'Polarisation' codiert sind", erläutert Jan
Tauber, ESA-Planck-Projektwissenschaftler. "Planck hat dieses Signal zum ersten
Mal mit einer hohen Auflösung über den gesamten Himmel vermessen und heute
diese
einzigartigen Karten veröffentlicht."
Licht wird polarisiert, wenn es in einer bevorzugten Richtung schwingt; dies
kann die Folge sein, wenn Photonen - die Lichtteilchen - von anderen Teilchen
wie Elektronen abprallen. Genau das passierte mit dem CMB im frühen Universum.
Plancks Polarisationsdaten bieten einen unabhängigen Weg, die kosmologischen
Parameter zu messen, und bestätigen damit die Details des kosmologischen
Standardmodells, wie es aus den CMB-Temperaturschwankungen bestimmt worden war.
Auf seinem Weg durch Raum und Zeit wurde das CMB-Licht aber auch durch die
ersten Sterne beeinflusst - und die Polarisationsdaten deuten nun an, dass die
ersten Sterne etwa 550 Millionen Jahre nach dem Urknall zu leuchten anfingen
und
damit das "Dunkle Zeitalter" beendeten. Durch Planck wissen wir also nun, dass
dies mehr als 100 Millionen Jahre später ist, als bisher angenommen. Dieses
Ergebnis löst ein astronomisches Rätsel: Bisherige Studien der CMB-Polarisation
schienen auf eine frühere Geburt der ersten Sterne hinzudeuten, während sehr
tiefe Bilder des Himmels zeigten, dass die frühesten bekannten Galaxien im
Universum erst etwa 300 bis 400 Millionen Jahre nach dem Urknall auftauchten,
und damit nicht ausreichen würden, um das Dunkle Zeitalter nach 450 Millionen
Jahren zu beenden. Mit den neuen Erkenntnissen von Planck ist dieses Problem
nun
deutlich kleiner geworden - die beobachteten frühesten Sterne und Galaxien
sollten völlig ausreichend gewesen sein, um das von Planck vermessene
Polarisationssignal des Endes des Dunklen Zeitalters zu erzeugen.
Aber die ersten Sterne sind noch nicht alles. Mit den heute veröffentlichten,
neuen Planckdaten untersuchen die Wissenschaftler auch die Polarisation der
Vordergrundemission durch Gas und Staub in der Milchstraße, um die Struktur des
galaktischen Magnetfeldes zu analysieren.
"Mit seinen neun Frequenzkanälen ist Planck bestens dafür geeignet, um das
kosmologische Signal und die Vordergrundstrahlung zu entwirren. Allerdings
müssen wir bei der Analyse der Daten sehr vorsichtig sein", erklärt Torsten
Enßlin, Leiter des Planck Software-Teams am Max-Planck-Institut für
Astrophysik. "Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Beitrag von Staub in unserer
Milchstraße über den gesamten Himmel hinweg signifikant ist - damit werden alle
früheren Hoffnungen zunichtegemacht, dass einige Bereiche sauber genug sein
könnten, um einen direkten Blick auf das frühe Universum zu erhaschen. Das
polarisierte Licht des Staubes zeichnet die galaktischen Magnetfeldlinien mit
einer fantastischen Detailtreue nach und ermöglicht bisher ungeahnte
Einblicke in Wetterphänomene in unserer Milchstrasse."
Die Daten lieferten auch wichtige neue Einblicke in den frühen Kosmos und seine
Bestandteile, einschließlich der faszinierenden dunklen Materie und der schwer
fassbaren Neutrinos; auch diese Ergebnisse werden in den heute veröffentlichten
Arbeiten beschrieben. Selbst die noch frühere Geschichte des Kosmos kann mit
den
Planckdaten eruiert werden, bis zurück zur Phase der Inflation - einer kurzen
Zeit der beschleunigten Expansion, als das Universum gerade erst einen winzigen
Bruchteil einer Sekunde alt war. Als ultimative Signatur dieser Epoche suchen
die Astronomen nach Hinweisen auf Gravitationswellen, die durch die Inflation
ausgelöst wurden und später die Polarisation des CMB prägten.
Frühere Berichte über einen direkten Nachweis dieses Signals mussten
angesichts
der Planckkarten des polarisierten Lichtes revidiert werden,
wie letzte Woche berichtet.
Kombiniert man allerdings die
neuesten Planck-Daten mit neuen Ergebnissen von anderen Experimenten, so können
die Grenzwerte für diese primordialen Gravitationswellen noch genauer bestimmt
werden. Die neuen Obergrenzen sind bereits in der Lage einige Inflationsmodelle
auszuschließen.
Hinweise:
Eine Reihe von wissenschaftlichen Arbeiten, die die neuen Ergebnisse
beschreiben, wurde am 5. Februar veröffentlicht.
Sie können hier heruntergeladen werden.
Die neuen Ergebnisse von Planck basieren auf kompletten Himmelskarten erstellt
von 2009 bis 2013. Neue Daten, einschließlich der CMB-Temperaturkarten in
allen
neun Frequenzbändern von Planck und die beobachteten Polarisationskarten in
vier
Frequenzen (30, 44, 70 und 353 GHz), werden ebenfalls heute veröffentlicht.
Mehr über Planck
Planck wurde 2009 gestartet, um den gesamten Himmel mit zwei hochmodernen
Geräten in neun Frequenzen zu vermessen: das LFI (Low Frequency Instrument)
enthält drei Frequenzbänder im Bereich von 30 bis 70 GHz, und das HFI (High
Frequency Instrument) umfasst sechs Frequenzbänder im Bereich von 100 bis 857
GHz.
HFI beendete seine Aufnahmen im Januar 2012, während LFI weiterhin bis zum 3.
Oktober 2013 wissenschaftliche Beobachtungen machte, bevor es am 19. Oktober
2013 ausgeschaltet wurde. Sieben der neun Frequenzkanäle von Planck wurden mit
polarisationsempfindlichen Detektoren ausgestattet.
Die Planck Science Collaboration besteht aus allen Wissenschaftlern, die zur
Entwicklung der Mission beigetragen haben, und die jetzt an der
wissenschaftlichen Auswertung der Daten (während der proprietären Zeit)
beteiligt sind. Diese Wissenschaftler sind Mitglieder einer oder mehr der vier
Konsortien: das LFI-Konsortium, das HFI-Konsortium, das DK-Planck-Konsortium
und
das Planck-Wissenschaftsbüro der ESA. Die beiden Datenverarbeitungszentren für
Planck unter europäischer Führung befinden sich in Paris und Triest.
Die LFI-Konsortium wird geleitet von N. Mandolesi, Università degli Studi di
Ferrara, Italien, (stellvertretender PI: M. Bersanelli, Università degli Studi
di Milano, Italien) und war verantwortlich für die Entwicklung und den Betrieb
von LFI. Das HFI-Konsortium wird geleitet von J.L. Puget, Institut
d'Astrophysique Spatiale in Orsay, Frankreich (stellvertretender PI: F.
Bouchet,
Institut d'Astrophysique de Paris, Frankreich) und war verantwortlich für die
Entwicklung und den Betrieb von HFI.
Kontakt:
Prof. Simon White
Direktor
Max-Planck-Institut für Astrophysik
Tel: +49 89 30000-2211
E-mail: swhitempa-garching.mpg.de
Dr. Torsten Enßlin
Max-Planck-Institut für Astrophysik
Tel.: +49 89 30000-2243
email: tensslinmpa-garching.mpg.de
Dr. Hannelore Hämmerle
Pressesprecherin
Max-Planck-Institut für Astrophysik
Tel. +49 89 30000-3980
E-mail: prmpa-garching.mpg.de
Links:
Vollständige ESA Pressemitteilung: Planck reveals first stars were born late
Wissenschaftliche Arbeiten, die die
neuen
Ergebnisse beschreiben.
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