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.
Start: 14. Mai 2009, Missionsende: 23. Oktober 2013
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.
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.
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.
Künstlerische Darstellung des Planck-Satelliten
Die künstlerische Darstellung des Planck-Satelliten zeigt wie die von rechts einfallende Mikrowellenstrahlung vom Primär- über den Sekundärspiegel auf die Detektoren gelenkt wird.
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 ermöglichten 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 beiden Experimente in der Fokalebene des Planck-Satelliten
Künstlerische Darstellung der beiden Planck-Experimente „High Frequency Instrument“ (HFI) und „Low Frequency Instrument“ (LFI) in der Fokalebene des Satelliten. Sie liegen unmittelbar unterhalb des Hauptspiegels des Teleskops, der im oberen Teil des Bildes angedeutet ist. Der „HFI bolometric detector array“, d.h. die Gruppe der kleinen Empfangshörner auf der kreisförmigen, goldenen Basisplatte, wird Beobachtungen im Frequenzbereich zwischen 84 Giga- und einem Terahertz durchführen, was Wellenlängen von 3,6 bis 0,3 Millimetern entspricht. Um das HFI herum sind die Empfangshörner des „LFI radio receiver array“ angeordnet. Die Beobachtungsfrequenzen dieses Instruments reichen von 27 bis 77 Gigahertz, entsprechend Wellenlängen von 11,1 bis 3,9 Millimetern.
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. Insbesondere die die Daten zur Polarisation und den Vordergrundquellen waren 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 Infrarot-Hintergrunds.
Wissenschaftliche Nutzlast
Der Planck-Satellit trug ein Teleskop mit einem Spiegeldurchmesser von 1,5 mal 1,75 Metern und mit zwei Instrumenten, die die Mikrowellenstrahlung in unterschiedlichen Frequenzbändern maßen.
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 beteiligte 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 schrieben Simulationsprogramme, die zum Testen der Datenverarbeitungsroutinen und zur Analyse der Beobachtungsdaten benötigt wurden.
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)
