Kosmische Hintergrundstrahlung Planck blickt durch den Mikrowellenschleier

Das Weltraumobservatorium Planck geht in den Ruhestand. Zweieinhalb Jahre lang hat die Sonde der europäischen Weltraumbehörde Esa den Himmel erforscht und abgelichtet. Jetzt ist das Kühlmittel ausgegangen, das die beiden an Bord befindlichen Messinstrumente bislang auf Betriebstemperatur gehalten hat. Die gesammelten Daten sind so umfangreich, dass die an dem Projekt beteiligten Forscher wohl noch ein Jahr lang mit der Analyse beschäftigt sein werden. Auf einer Tagung, die diese Woche in Bologna stattfindet, werden nun erste Ergebnisse der Mission vorgestellt.

Echo des Urknalls

Die Aufgabe des Weltraumobservatoriums Planck ist die Untersuchung der kosmischen Hintergrundstrahlung. Diese Strahlung stammt aus einer Zeit, als das Universum gerade mal 380 000 Jahre alt war. Damals, als sich Protonen und Elektronen zu Wasserstoffatomen vereinten, wurde das mittlerweile auf 3000 Kelvin abgekühlte Universum durchsichtig. Die Strahlung aus jener Zeit kann man noch heute gewissermaßen als "Nachglühen" des Urknalls empfangen. Zwar hat sich die Hintergrundstrahlung mittlerweile auf minus 270 Grad abgekühlt, sie ist aber immer noch allgegenwärtig - jeder Kubikzentimeter enthält einige hundert ihrer Photonen. Da es sich um Mikrowellenstrahlung handelt, ist sie am besten mit Weltraumteleskopen außerhalb der Erdatmosphäre zu beobachten.

Cobe und WMAP

Das Echo des Urknalls hatten 1964 Arno Penzias und Robert Wilson eher zufällig mit einer Antenne der Bell Laboratories in New Jersey aufgespürt. Wichtige Erkenntnisse über die Eigenschaften der kosmischen Mikrowellenstrahlung lieferten dann die amerikanischen Sonden Cobe und WMAP, die 1992 beziehungsweise 2001 zu ihren Missionen aufbrachen. Besonders Cobe brachte seinerzeit einen Durchbruch: Auf den Bildern konnte man erstmals eine räumliche Anisotropie der ansonsten gleichförmigen Hintergrundstrahlung erkennen. Je nach Blickrichtung schwankt die Temperatur um einige millionstel Grad. Aus diesen Schwankungen ließen sich unter anderem erste Schlüsse auf die Verteilung der Materie kurz nach dem Urknall ziehen, als noch keine Galaxien existierten. Die Cobe-Bilder waren jedoch nicht scharf genug für eine tiefere Analyse.

Alter und Natur des Komos

Die Instrumente an Bord des Observatoriums WMAP besaßen ein deutlich verbessertes Auflösungsvermögen. Damit konnten die Forscher die Ausdehnung der Anisotropien vermessen und waren dadurch in der Lage, genauere Aussagen über die Geschichte und die Zusammensetzung des Kosmos zu machen: So konnte man das Alter des Universums auf den bis heute gültigen Wert von 13,7 Milliarden Jahren festlegen und dessen Bestandteile quantifizieren. So besteht das Universum aus nur fünf Prozent barionischer und damit bekannter Materie, der Rest ist "Dunkle Materie" und "Dunkle Energie" - deren Natur bislang völlig unverstanden ist. Aber auch WMAP erreichte nicht die Genauigkeit, die sich die Kosmologen wünschten.

Erfolgsgeschichte Planck

Erst das Observatorium Planck, das im Mai 2009 mit einer Ariane-5-Rakete gestartet war, konnte die Temperaturfluktuationen bis zum astrophysikalisch möglichen Limit vermessen. Zur Zeit arbeiten die Forscher daran, aus den in den vergangenen zweieinhalb Jahren gesammelten Daten ein detailliertes Bild des frühen Universums zu erstellen. Die Mission der Sonde verlief so erfolgreich, dass ihre ursprünglich geplante Dauer von fünfzehn Monaten verdoppelt werden konnte. Fünfmal hat Planck in dieser Zeit den Himmel abgetastet. Das endgültige Missionsende ist immer noch nicht erreicht: Zwar ist das "High Frequency Instrument" (HFI) nun nicht mehr in Betrieb, das bei tieferen Frequenzen arbeitende "Low Frequency Instrument" (LFI) verträgt jedoch höhere Temperaturen und wird noch mehrere Monate Daten sammeln.

Ein Ton im kosmischen Konzert

Beim gegenwärtigen Treffen der Mitglieder der Planck-Kollaboration in Bologna geht es noch nicht so sehr um neue kosmologische Erkenntnisse. Um die Signale der Hintergrundstrahlung überhaupt analysieren zu können, müssen zunächst alle störenden Strahlungsquellen herausgefiltert werden. Das ist vergleichbar mit dem Versuch, eine einzelne Geige inmitten eines Sinfoniekonzerts zu erkennen. Es sind die Galaxien, vor allem aber die Sterne und der Staub der Milchstraße - deren Strahlung das unscheinbare Signal der Hintergrundstrahlung überlagert.

Spürnase für Kohlenmonoxid

Doch auch diese Arbeit liefert bereits interessante Ergebnisse. So konnte das HFI-Instrument die erste vollständige Himmelskarte über die Verteilung von Kohlenmonoxid-Molekülen erstellen. Das Molekül dient Astronomen als Indikator für Wasserstoffwolken, in denen neue Sterne und Planetensysteme entstehen. "Planck ist ein exzellenter Detektor für Kohlenmonoxid, weil es den gesamten Himmel abscannt", erklärte Jonathan Aumont von der Universität Paris und Mitglied der Planck-Kollaboration. "So konnten wir das Molekül an Orten aufspüren, wo wir es nicht vermutet hätten."

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Noch reichlich Arbeit

Ein Rätsel geben Bilder des LFI-Instruments im Frequenzbereich von 30 und 44 Gigahertz auf. Sie zeigen eine Art Schleier aus Mikrowellen, der die ganze Milchstraßengalaxie umgibt. Insbesondere in Richtung ihres Zentrums ist er besonders intensiv. Dort hatte im Jahr 2010 auch das Gammastrahlenobservatorium Fermi eine erhöhte Strahlung gemessen, allerdings in einem völlig anderen Frequenzbereich. Rätselhaft ist dieser Mikrowellendunst deshalb, weil seine Energieverteilung sich von derjenigen bekannter Quellen in der Milchstraße unterscheidet. Was den Mikrowellenschleier verursacht, ist unbekannt. Es könnten Supernovaexplosionen sein oder aber Teilchen der Dunklen Materie. Das laufende Jahr dürfte für die an Planck beteiligten Forscher so arbeitsam wie interessant werden. Bis Januar 2013 wollen sie ihre Daten studieren. Dann will man das Bild vom frühen Universum in ein neues Licht rücken.