Quelle: Universität Wien.

17. August 2021 – Die radioaktiven Elemente könnten von einem in der Nähe explodierenden Stern (einer Supernova) oder den starken Sternwinden eines massereichen Sterns, auch als Wolf-Rayet-Stern bekannt, auf das sich entwickelnde Sonnensystem geweht worden sein. Das Vorkommen radioaktiven Materials bei der Entstehung des Sonnensystems gibt den Forscher*innen bereits seit 50 Jahren große Rätsel auf. Ist die Voraussetzung für die Bildung von Planetensystemen, dass sie sich weder zu nah, noch zu weit entfernt von einer Quelle radioaktiven Materials befinden?

Die Autoren der neuen Studie verwendeten Multi-Wellenlängen-Beobachtungen der Sternentstehungsregion Schlangenträger, darunter auch spektakuläre neue Infrarotdaten des von Wien geleiteten Projekts VISIONS, das derzeit mit dem ESO-Teleskop in der chilenischen Wüste durchgeführt wird. Die Daten zeigen die Wechselwirkungen zwischen den Wolken von sternbildenden Gasen und Radionukliden, die im nächstgelegenen aus jungen Sternen bestehenden Sternhaufen entstanden. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass Supernovae der vorangegangen Sterngeneration die wahrscheinlichste Quelle kurzlebiger Radionuklide in den sternbildenden Wolken sind.

„Unser Sonnensystem entstand höchstwahrscheinlich durch das Zusammenspiel einer riesigen Molekülwolke sowie eines jungen Sternhaufens. Ein oder mehrere Supernova-Ereignisse einiger massereicher Sterne in diesem Sternhaufen kontaminierten das Gas, das schließlich die Sonne und ihr Planetensystem entstehen ließ“, sagt Douglas N. C. Lin, emeritierter Professor für Astronomie und Astrophysik an der UC Santa Cruz. „Obwohl dieses Szenario lange zurückliegt, liegen die Stärken dieser Studie in der Verwendung von Multi-Wellenlängen-Beobachtungen und einer ausgeklügelten statistischen Analyse, die es ermöglichen, eine quantitative Messung der Wahrscheinlichkeit dieses Modells anzustellen.“

Der Schlangenträger-Wolkenkomplex enthält viele dichte protostellare Kerne in verschiedenen Stadien der Sternenentstehung und der Entwicklung protoplanetarer Scheiben, welche die frühesten Stadien der Bildung eines Planetensystems darstellen. Durch die Kombination von Bilddaten in Wellenlängen von Millimetern bis hin zu Gammastrahlen konnten die Forscher*innen einen Strom von Aluminium-26 des nahe gelegenen Sternhaufens in Richtung der Sternentstehungsregion Schlangenträger visualisieren.

„Der Anreicherungsprozess, den wir im Schlangenträger sehen, stimmt mit dem überein, was bei der Bildung des Sonnensystems vor 5 Milliarden Jahren geschah“, sagt Erstautor John C. Forbes. „Als wir dieses passende Beispiel für einen möglichen Ablauf des Prozesses entdeckt hatten, versuchten wir, den nahe gelegenen Sternhaufen zu modellieren, der jene Radionuklide produzierte, die wir heute in Form von Gammastrahlen sehen. Wir verfügen mittlerweile über ausreichend Informationen, um sagen zu können, dass dieses Ereignis zu 59% durch Supernovae und zu 68% durch mehrere Quellen und nicht ausschließlich durch eine Supernova verursacht wurde“, so Forbes.

„Diese Form von statistischer Analyse weist Szenarien Wahrscheinlichkeiten zu, die Astronom*innen seit 50 Jahren diskutieren, bemerkt Lin. „Wahrscheinlichkeiten zu quantifizieren ist in der Astronomie richtungsweisend“, ergänzt er.

„Der Schlangenträger als Sternentstehungsregion ist nichts Besonderes“, sagt João Alves. „Es handelt sich lediglich um eine typische Struktur aus Gas und jungen massereichen Sternen. Daher sollten unsere Ergebnisse repräsentativ für die Anreicherung kurzlebiger radioaktiver Elemente bei der Stern- und Planetenbildung entlang der Milchstraße sein. Wir sind nichts Besonderes und sollten davon ausgehen, dass auch viele andere Sonnensysteme wie unseres in der Milchstraße schweben.“

Die aktuellen Ergebnisse zeigen auch, dass die Anzahl der kurzlebigen Radionuklide, die sich in neu entstehenden Sternensystemen befinden, stark variieren kann. „Viele neue Sternensysteme werden mit einer Fülle von Aluminium-26 gebildet, so wie in unserem Sonnensystem. Die Schwankungen sind dennoch enorm – wir sprechen von mehreren Größenordnungen“, erklärt Forbes. „Das ist entscheidend für die frühe Entwicklung von Planetensystemen, da Aluminium-26 die wichtigste frühe Wärmequelle ist. Mehr Aluminium-26 bedeutet wahrscheinlich trockenere Planeten.“

Das Team verwendete auch Daten des VISTA-Teleskops der Europäischen Südsternwarte, des Herschel Space Observatory der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), des Planck-Satelliten der ESA und des Compton Gamma Ray Observatory der NASA.

Publikation in Nature Astronomy:
John C. Forbes, João Alves, Douglas N. C. Lin. A Solar System formation analogue in the Ophiuchus star-forming complex. Nature Astronomy, 2021

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• Sternentwicklung

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA).

In der Kosmologie geht man davon aus, dass sich die physikalischen Gesetze, die im Universum herrschen, bei einer Spiegelung nicht ändern: Die Gesetze des Elektromagnetismus beispielsweise bleiben unverändert, egal ob im ursprünglichen System betrachtet oder in einem System, in dem alle räumlichen Koordinaten gespiegelt wurden. Ist diese Symmetrie, auch “Parität” genannt, verletzt, könnte es uns viel über die Beschaffenheit der geheimnisvollen Dunklen Materie und Dunklen Energie verraten, die 25 bzw. 70 Prozent des Energiegehalts des heutigen Universums ausmachen. Obwohl beide Bestandteile “dunkel” sind, d.h. sie sind nicht direkt sichtbar, haben sie eine gegenteilige Wirkung auf die Entwicklung des Universums: Dunkle Materie wirkt anziehend, wohingegen Dunkle Energie zur einer immer schnelleren Ausdehnung des Universums führt.

Nun berichtet eine neue Studie von Wissenschaftlern des “Institute of Particle and Nuclear Studies” (IPNS) der japanischen KEK-Forschungsorganisation, des “Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe” (Kavli IPMU) der Universität Tokio und des Max-Planck-Instituts für Astrophysik (MPA) über einen Hinweis auf neue Physik, die die Parität verletzt — mit einem Konfidenzniveau von 99,2 Prozent. Die am 23. November 2020 im Journal Physical Review Letters veröffentlichten Ergebnisse wurden von den Herausgebern als wichtig, interessant und gut geschrieben beurteilt und damit als “Editors’ Suggestion” ausgewählt.

Den Hinweis auf eine Verletzung der Paritätssymmetrie fanden die Wissenschaftler im kosmischen Mikrowellenhintergrund, einem Licht, das kurz nach dem Urknall ausgesandt wurde. Der Schlüssel liegt dabei in der sogenannten Polarisation. Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen, die in verschiedene Richtungen oszillieren. Haben alle Wellen dieselbe Schwingrichtung, spricht man von polarisiertem Licht. Solche Polarisation entsteht, wenn Licht gestreut wird. Sonnenlicht beispielsweise besteht aus Wellen mit allen möglichen Polarisationsrichtungen und ist somit unpolarisiert, wohingegen das Licht eines Regenbogens polarisiert ist, da hierbei Sonnenlicht an Wassertropfen in der Atmosphäre gestreut wird. Ganz ähnlich wurde das Licht des kosmischen Mikrowellenhintergrunds polarisiert als es 400.000 Jahre nach dem Urknall an Elektronen streute. Wenn dieses Licht, das seit 13,8 Milliarden Jahren durch das Universum unterwegs ist, nun mit Dunkler Materie oder Dunkler Energie interagiert, könnte das zu einer Drehung der Polarisationsebene um einen Winkel β führen (s. Abbildung).

“Wenn Dunkle Materie oder Dunkle Energie mit dem Licht des kosmischen Mikrowellenhintergrunds auf eine Art interagiert, die die Paritätssymmetrie verletzt, dann können wir diese Signatur in den Polarisationsdaten finden”, betont Yuto Manami, ein Postdoc am IPNS, KEK.

Um den Rotationswinkel β zu messen, benötigten die Wissenschaftler einen polarisationssensitiven Detektor, wie den an Bord des Planck-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Zusätzlich mussten sie genau bestimmen, wie dieser Detektor relativ zum Himmel orientiert ist. Ist diese Information nicht mit ausreichender Genauigkeit bekannt, würde die gemessene Polarisationsebene künstlich rotiert erscheinen und damit ein falsches Signal generieren. Ungenaue Kenntnis dieses vom Detektor selbst erzeugten künstlichen Rotationswinkels schränkte deshalb frühere Messungen des Polarisationswinkels β stark ein.

“Wir haben eine neue Methode entwickelt, um diese künstliche Rotation zu bestimmen, indem wir polarisiertes Licht vom Staub aus unserer Milchstraße nutzen,” erklärt Minami. “Mit dieser Methode konnten wir eine Messgenauigkeit erzielen, die doppelt so gut ist wie bei früheren Arbeiten, und waren endlich in der Lage β zu messen.” Die Strecke, die das vom Staub emittierte Licht in der Milchstraße zurücklegt, ist viel kürzer als die des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. Die Strahlung des Staubs wird deshalb nicht von Dunkler Materie oder Dunkler Energie beeinflusst, sondern nur das Licht des kosmischen Mikrowellenhintergrunds wird um den Winkel β gedreht, wohingegen beide der künstlichen Rotation ausgesetzt sind. Aus der Differenz zwischen den gemessenen Polarisationswinkeln von beiden Quellen kann β bestimmt werden.

Das Forscherteam benutzte diese Methode um β mit den Polarisationsdaten des Planck-Satelliten zu messen. Sie fanden damit einen Hinweis auf die Verletzung der Paritätssymmetrie mit einem Konfidenzniveau von 99,2 Prozent. Von der Entdeckung neuer Physik spricht man allerdings erst ab einem viel höheren Konfidenzniveau, nämlich 99,99995 Prozent. Eiichiro Komatsu, Direktor am MPA und leitender Wissenschaftler beim Kavli IPMU und beim Exzellenzcluster ORIGINS, macht deutlich: “Es ist klar, dass wir noch keinen endgültigen Nachweis für neue Physik gefunden haben; wir brauchen eine höhere statistische Signifikanz, um das Signal zu bestätigen. Aber es ist toll, dass wir mit unserer neuen Methode diese “unmögliche” Messung durchführen konnten, die tatsächlich auf neue Physik hinweist.”

Um die Messung zu bestätigen, kann die neue Methode auf Daten von weiteren existierenden — und zukünftigen — Experimenten angewendet werden, die die Polarisation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds messen, wie das “Simons Array” und “LiteBIRD”, an denen sowohl KEK als auch Kavli IPMU beteiligt sind.

Originalveröffentlichung
Yuto Minami, Eiichiro Komatsu
New extraction of the cosmic birefringence from the Planck 2018 polarization data
Physical Review Letters, 23 November 2020
Quelle

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• Neuer Blick aufs Universum mit Herschel/Planck

Der Beitrag Polarisierte Strahlung gibt Hinweis auf neue Physik erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESA, University of Arizona.

Astronomen gehen davon aus, dass sich in unserem Universum etwa 100 bis 200 Milliarden Galaxien befinden. Diese ‚Sterneninseln‘ sind jedoch nicht gleichmäßig im Weltall verteilt, sondern sie treten im heutigen Universum – etwa 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall – in der Regel vielmehr in relativ eng beieinander liegenden Konzentrationen von Dutzenden, Hunderten oder gar Tausenden von Galaxien auf.

Unklar ist bislang jedoch, wie sich diese Galaxienhaufen gebildet haben. Aus diesem Grund lautet eine der grundlegendsten Fragen der modernen Kosmologie: Wie haben sich diese riesigen Formationen, welche als die größten Strukturen des Universums gelten, einstmals in dessen Frühzeit geformt und wie lief der weitere Entwicklungsprozess dieser Galaxienhaufen ab? Zu dieser Fragestellung zählt auch die Rolle, welche die dunkle Materie bei der Formung dieser kosmischen Massenansammlungen gespielt hat.

Anhand der zusammengefassten Beobachtungsdaten der beiden von der europäischen Weltraumagentur ESA bis zum Jahr 2013 betriebenen Weltraumteleskope Herschel und Planck haben Astronomen jetzt Objekte im fernen Universum entdeckt, welche bereits existiert haben, als dieses gerade einmal drei Milliarden Jahre alt war. Aufgrund dieses Alters und ihrer Eigenschaften könnte es sich bei diesen Objekten um die Vorgänger der heute sichtbaren Galaxienhaufen handeln.

Das Weltraumteleskop Planck
Das wissenschaftliche Hauptziel des Weltraumteleskops Planck bestand darin, die bislang detaillierteste Vermessung der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (engl. „Cosmic Microwave Background“, kurz „CMB“) – einem Überbleibsel aus der Zeit des Urknalls – durchzuführen. Zu diesem Zweck beobachtete Planck während seiner vier Jahre und fünf Monate andauernden Mission des gesamten Himmel auf neun verschiedenen Wellenlängen vom Ferninfraroten bis zum Funkbereich zwischen 30 und 857 Gigahertz. Gleichzeitig wurden bei diesen Beobachtungen jedoch auch Daten über die Vordergrundstrahlung der Milchstraße und der weiteren Galaxien gewonnen.

234 potenziellen Protocluster
Die Störeffekte dieser Vordergrundstrahlung müssen zur exakten Ermittlung der Hintergrundstrahlung sehr gut bekannt sein. Zugleich ist die Vordergrundstrahlung aber auch von einem eigenen wissenschaftlichen Interesse und dient zum Beispiel dem tieferen Verständnis der bei der Sternentstehung und -entwicklung ablaufenden Prozesse. Des weiteren konnten die an der Auswertung dieser ‚Kurzwellendaten‘ (gewonnen bei 857 GHz, 545 GHz und 353 GHz) beteiligten Wissenschaftler hierbei 234 ausgedehnte und helle Lichtquellen identifizieren, aus deren Lichtspektrum auf eine große Entfernung von über zehn Milliarden Lichtjahren zur Erde und somit auf eine Existenz im fernen, frühen Universum geschlossen wurde.

Anschließend führte das Weltraumteleskop Herschel weitere detaillierte Beobachtungen dieser Objekte im Fern-Infrarot- und im Sub-Millimeter-Bereich mit einer weitaus höherer Sensitivität und Winkelauflösung durch, als dies mit dem Planck-Teleskop möglich war. Diese Beobachtungen des Herschel-Instruments SPIRE erfolgten bei Wellenlängen von 250, 350 und 500 Mikrometern. Die 350- und 500-Mikrometer-Bandbreiten des SPIRE-Instruments überschnitten sich dabei mit dem „High Frequency Instrument“ (kurz „HFI“) des Planck-Teleskops bei 857 GHz und 545 GHz. Die Daten von Herschel führten bei diesen Beobachtungen zu der Erkenntnis, dass die große Mehrheit der zuvor von Planck entdeckten Quellen mit dichten Galaxienansammlungen im frühen Universum übereinstimmen und zudem eine enorme Geburtsrate neuer Sterne aufweisen.

In jeder dieser dort befindlichen jungen Galaxien konnte die Umwandlung von Gas und Staub in Sterne beobachtet werden, wobei einer jährlichen ‚Produktionsrate‘ neuer Sterne mit einer Gesamtmasse von mehreren 100 bis hin zu 1.500 Sonnenmassen ereicht wurde. Zum Vergleich: Innerhalb unserer Heimatgalaxie – der Milchstraße – entsteht gegenwärtig pro Jahr nur rund eine Sonnenmasse an neuen Sternen.

„Es war uns bisher nicht bekannt, ob junge Galaxien ihre Sterne eher gleichmäßig über einen längeren Zeitraum hinweg produzieren oder ob die Sternentstehung dort in schlagartig erfolgenden Ausbrüchen abläuft“, so Brenda L. Frye von der University of Arizona/USA. „Nun wissen wir, dass die Sternentstehung nicht langsam, sondern vielmehr wie bei einem Feuerwerk erfolgt. Es ist so, als würde man einen Marathonlauf mit einem Sprit beginnen und den Rest der Strecke im Gehen zurücklegen.“

Bisher konnten die Astronomen noch keine endgültigen Angaben zu dem Alter und der Lichtstärke vieler dieser neu entdeckten fernen Galaxienhaufen liefern. Allerdings steht bereits jetzt fest, dass diese Galaxienansammlungen die bisher vielversprechendsten Kandidaten für sogenannte ‚Protohaufen‘ darstellen – die Vorläufer der großen, ausgereiften Galaxienhaufen, welche von den Astronomen in dem gegenwärtigen Universum zu beobachten sind.

„Frühere Beobachtungsdaten von Herschel und anderen Weltraumteleskopen lieferten uns zwar bereits in der Vergangenheit Hinweise auf die Existenz diese Objekte, doch erst dank der umfassenden Himmelsbeobachtungen von Planck war es uns möglich, noch viele weitere Kandidaten zu entdecken und zu erforschen“, so Hervé Dole vom Institut d’Astrophysique Spatiale in Orsay/Frankreich, der Leiter der entsprechenden Studie. „Es gibt noch Vieles, das wir über diese neue Population herausfinden müssen. Dazu bedarf es weiterer Studien und Beobachtungen. Wir sind jedoch schon jetzt davon überzeugt, dass sie den fehlenden Schlüssel zur Entstehung kosmologischer Strukturen darstellen.“

„Aktuell arbeiten wir an einer umfassenden Katalogisierung aller möglichen von Planck entdeckten Protocluster. Dies sollte uns dabei helfen, noch viele weitere dieser Objekte zu identifizieren“, fügt Ludovic Montier hinzu, ein an den Untersuchungen beteiligter Wissenschaftler vom Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie des CNRS in Toulouse/Frankreich.

„Dieses fantastische Ergebnis haben wir der vereinten Leistung von Herschel und Planck zu verdanken. Anhand der Planck-Beobachtungsdaten des gesamten Himmels konnten seltene Objekte identifiziert werden, die Herschel anschließend detaillierter untersuchte“, so Göran Pilbratt, der für die Herschel-Mission verantwortliche ESA-Wissenschaftler. „Die Missionen der beiden Weltraumteleskope sind bereits seit dem Jahr 2013 abgeschlossen. Ihre immensen Datenmengen werden uns jedoch noch über viele weitere Jahre hinweg neue Einblicke in die zahlreichen Geheimnisse des Universums gewähren.“
Die hier kurz vorgestellten Ergebnisse der Auswertung der Daten der Weltraumteleskope Herschel und Planck wurde am 19. März 2015 von den Wissenschaftlern der Planck-Collaboration unter dem Titel „High-redshift infrared galaxy overdensity candidates and lensed sources discovered by Planck and confirmed by Herschel-SPIRE“ in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ publiziert.
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• Neuer Blick aufs Universum mit Herschel/Planck
• Galaxienhaufen

Fachartikel der Planck-Collaboration:

• High-redshift infrared galaxy overdensity candidates and lensed sources discovered by Planck and confirmed by Herschel-SPIRE (vollständiger Artikel, engl.)

Der Beitrag Vorläufer der heutigen Galaxienhaufen entdeckt? erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Michael Clormann. Quelle: ESA, Planck Collaboration, Raumcon.

Dem Missionsende am kommenden Mittwoch gingen sowohl die am Samstag den 19. Oktober erfolgte Abschaltung des letzten wissenschaftlichen Instruments an Bord, als auch der erst gestern durchgeführte Einschuss des Weltraumteleskops in einen finalen Parkorbit voraus. Damit verlässt das Raumfahrzeug seine bisherige Position im Orbit um den Lagrange-Punkt 2 des Erde-Sonne Systems, in den es, wenige Wochen nach seinem Start mit einem Ariane 5 ECA am 14. Mai 2009, eingeschwenkt war. Die mit demselben Ariane-Flug transportierte Schwestermission Herschel ging ebenfalls bereits in diesem Jahr außer Betrieb. Ursache für die planmäßige Stilllegung beider Geräte waren die endgültig aufgebrauchten Vorräte an mitgeführtem Kühlmittel für die Präzisionssensoren. Insgesamt führte Planck zu Beginn seiner Reise mehrere hundert Liter flüssigen Heliums und Wasserstoffs zu diesem Zweck mit. Das empfindlichere von Plancks Instrumenten, das High Frequency Instrument (HFI) mit einer erforderlichen Betriebstemperatur zwischen 0,1 und 1,6 Kelvin, war entsprechend bereits im Januar 2012 deaktiviert worden.

Ursprünglich war eine wissenschaftlich produktive Einsatzdauer von nicht einmal zwei Jahren geplant, die von beiden Instrumenten übertroffen werden konnte. Für das Low Frequency Instrument (LFI) endete der eigentliche Betrieb mit dem Sammeln von Beobachtungsdaten am 3. Oktober 2013 nach der fünften Durchmusterung des gesamten Himmels.

Planck, im Jahr 1996 konkret angekündigt, stellte zusammen mit Herschel die Abschlussmission des bereits 1984 angelaufenen Horizon 2000-Programms der ESA zur wissenschaftlichen Erforschung des Kosmos durch Raummissionen dar. Die Fortsetzung der erprobten Missionsreihe wird gegenwärtig mit dem sogenannten Horizon 2000+-Konzept (Gaia, BepiColombo) weitergeführt und zukünftig von Cosmic Vision 2015-2025 (Solar Orbiter, Euclid, JUICE) ersetzt werden.

Das primäre Missionsziel war, von Anfang an, die bisher genaueste, flächendeckende Kartierung der kosmischen Hintergrundstrahlung im Mikrowellen-Bereich (CMB), zur Überprüfung bisher empirisch unbestätigter Erklärungsansätze zu Natur und Entwicklung des Universums. Plancks Vorgänger COBE und WMAP hatten auf diesem Gebiet schon zuvor Ergebnisse geliefert, jedoch nicht in vergleichbarer Detailqualität, wie die vom Planck-Konsortium am 21. März 2013 veröffentlichen Flächenkarten des CMB zeigten.

Der kosmische Mikrowellenhintergrund bildet die Materie- und Strahlungsverteilung des frühen Universums nur rund 380.000 Jahre nach dem Urknall ab, als dieses erstmals ausreichend „abgekühlt“ war um für messbare Strahlung durchlässig zu sein. Interessant ist dabei, dass diese ältestmögliche Strahlung, stammend aus einem Moment nur einen kosmischen Bruchteil nach dem Beginn der Zeit, geringe räumliche Unterschiede in ihrer Intensität aufweist, die sich mit den Mustern der Materiedistribution unseres heutigen Universums, mehr als 13,82 Milliarden Jahre später, abgleichen und in Verbindung setzen lassen. Planck ermöglichte die verbesserte Darstellung dieses Zusammenhangs, warf aber mit der gleichzeitigen Entdeckung großflächiger Asymmetrien und „kalter Flecken“ im Sensorbild des Hintergrunds auch neue, bisher nicht vollständig gelöste Fragen auf.

Unter anderem zum Abgleich des CMB, wurde von Planck auch umfangreiches Datenmaterial über die Position von Galaxienhaufen, die Gas-Filamenten zwischen ihnen, und weitere makroskopische, massereiche Gebilde im Universum, etwa Ansammlungen sogenannter „Dunkler Materie“, produziert. Dabei konnte der „Sunyaev-Zel’dovich-Effekt“ ausgenutzt und einer direkten Überprüfung unterzogen werden. Im Zuge dessen ergab sich auch eine in neuer Qualität fundierte Schätzung über die anteilsmäßige Zusammensetzung des Universums: neben den nur 4,9%, die die klassische, baryonische Materie ausmacht, wurde die Dunkle Materie mit nun immerhin 26,8% und die Dunkle Energie mit 68,3% beziffert. Quasi als Nebenprodukt seiner Beobachtungstätigkeit konnte Planck weiterhin auch kleinere kosmische Phänomene, etwa bisher unverstandene, warme Staubstrukturen in der Raumebene unserer Milchstraße, entdecken. Sogar zum Alter, und damit ebenfalls zur Expansionsrate des Universums, konnten nach Übermittlung von Plancks Aufnahmen neue Aussagen getroffen werden. Mit einem Alter von, wie bereits genannt, 13,82 Milliarden Jahren, erwies sich das Universum als geringfügig älter als bisher angenommen. Entsprechend konnte die „Hubble-Konstante“ H0 im Laufe der Mission auf nur 67,15 +/- 1,2 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec präzisiert werden: Weniger als von bisherigen Messungen angedeutet.

Erst vor wenigen Tagen konnte, mit Hilfe von Herschel, die Tür in eine bislang unerreichbar frühe Periode des Universums aufgestoßen werden: Wie sich herausstellte, ist es grundsätzlich möglich Informationen über die Beschaffenheit des Universums noch während seines „undurchsichtigen“ Lebensabschnitts durch Teleskope zu erlangen. Plancks Daten werden, so hofft man, schon im kommenden Jahr Herschels Vorarbeit ergänzen können. Es geht darum, bestimmte polarisierte Anteile der kosmischen Hintergrundstrahlung, sogenannte „primordiale B-modes“, nachzuweisen. Sie wurden von Gravitationseffekten beeinflusst, die noch deutlich älter als das unmittelbar sichtbare Universum sind und entsprechend Rückschlüsse auf die frühe Zeitperiode ihres Ursprungs erlauben.

Immer wieder wurde bei den Veröffentlichungen auf Planck gestützter Resultate während der letzten Monate deutlich, dass die beteiligten wissenschaftlichen Institute und Forschungsgruppen mit den erbrachten Leistungen ihres Teleskops außerordentlich zufrieden sind. Ebenso oft wurde auf das Potential der verbleibenden, noch nicht ausgewerteten Datenvorräte der Mission hingewiesen, die noch für die kommenden Jahre weiterführende Ergebnisse versprächen. Dennoch unterlag auch Planck, so viel lässt sich mit einiger Sicherheit bereits jetzt vermuten, unausweichlich Fluch und Segen der modernen (Astro-)Physik: aus jedem mit großem Aufwand gelüfteten Geheimnis des Kosmos ergaben sich bisher (mindestens) zwei Neue. Die Weiterführung der begonnenen kosmologischen Gralssuche wird das Privileg der nächsten Generation von Weltraumteleskopen bleiben. Planck jedenfalls, kann nach seiner erbrachten Leistung den Staffelstab mit Stolz und einiger Zuversicht übergeben.

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Der Beitrag Planck im Ruhestand erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Michael Clormann. Quelle: ESA, NASA.

Planck operiert mit seiner Sensorik im Mikrowellen- und Submillimeterbereich, konkret also einem Frequenzspektrum von etwa 25 bis 1.000 GHz. Dies ist eine vergleichsweise breite Abdeckung, die durch den kombinierten Einsatz zweier Instrumente im Teleskop ermöglicht wird. Diese lassen, so das Kalkül bei der Entwicklung der Sonde, aufgrund ihrer Empfindlichkeit und hohen Auflösung bisher einmalige Beobachtungen des Untersuchungsgegenstandes von Planck zu: der kosmischen Hintergrundstrahlung. Das Konzept scheint sich nun tatsächlich bewährt zu haben. Heute veröffentlichte die ESA, zusammen mit ihren Partnern, umfangreiche Erkenntnisse der astronomischen Forschung die auf Plancks Messdaten basieren.

Kernstück der Ergebnisse ist eine neue, in ihrer Genauigkeit bislang unerreichte, Karte der Mikrowellenstrahlung aus der Frühzeit des Universums. Die grafische Darstellung der Strahlungsverteilung nur 380.000 Jahre nach dem Urknall weist dabei auf eine erstaunliche Homogenität des damaligen Kosmos‘ hin.

Die präzise Analyse der Hintergrundstrahlung ermöglicht, neben der Nachvollziehbarkeit gegenwärtiger Materieverteilung im Universum, auch eine verbesserte Schätzung des Vorkommens Dunkler Materie und Dunkler Energie. Letztere ist wohl doch deutlich seltener im Universum vorhanden als bisher angenommen. Rund 68,3 Prozent soll ihr kosmischer Anteil ausmachen. Das sind mehr als 4% weniger als bis dato angenommen. Entsprechend in größerem Umfang vorhanden sind wohl hauptsächlich die Dunkle Materie, aber eben auch die uns unmittelbar bekannte, „gewöhnliche“ Materie. Sie macht den jetzt aktuellsten Erkenntnissen zufolge 4,9% der Zusammensetzung des Universums aus.

Die Dunkle Materie ist ein astronomisches Postulat, das die beobachteten Gravitationswirkungen im Universum erklären soll, die sich nicht nur mit „gewöhnlicher“ Materie schlüssig begründen lassen. In ähnlicher Weise soll die Dunkle Energie eine fremdartige Triebkraft anschaulich machen, die das Universum in seiner Expansion auf bisher nicht völlig verstandene Weise beschleunigt.

Eine weitere Folgerung aus den aufgearbeiteten Daten Plancks ist eine neue Angabe zum Alter des Universums. Es soll etwa 100 Millionen Jahre älter sein als bislang vermutet, nämlich 13,82 Milliarden Jahre. Entsprechend geringer als angenommen scheint demnach auch seine (gegenwärtige) Expansionsrate auszufallen. Sie wird durch die Hubble-Konstante repräsentiert, deren Wert jetzt, nach Daten des Weltraumteleskops, auf 67,15 +/- 1,2 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec geschätzt wird.

Zusätzlich konnten auch Rückschlüsse auf die unmittelbare Zeitperiode nach dem Urknall, die sogenannte Inflation, gezogen werden. Die homogene Struktur des Hintergrundrauschens lässt darauf schließen, dass die Inflation bereits sehr früh von zufälligen Prozessen auf Quantenebene geprägt war. Dies revidiert einige bisherige Theorien über den Ablauf der extremen Expansion zu Beginn des Universums.

In diesem Sommer wird das abschließende Ende von Plancks Mission gekommen sein. Eines seiner Instrumente wurde bereits vor gut einem Jahr abgeschaltet. Der zweite Sensor wird in wenigen Monaten ebenfalls außer Betrieb gehen müssen. Das Kühlmittel zur aufwändigen Tiefkühlung der Präzisionsgeräte ist dann endgültig aufgebraucht. Insgesamt bildete das europäische Teleskop im Laufe seiner Betriebszeit den gesamten Himmel fünf Mal im Mikrowellenspektrum ab. Die so gesammelten Daten werden noch einige Zeit der Auswertung in Anspruch nehmen. Weitere umfangreiche Forschungsresultate sollen im kommenden Jahr zur Verfügung stehen.

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• Neuer Blick aufs Universum mit Herschel/Planck

Der Beitrag Plancks weiter Blick erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: ESA, Peel et al. 2011.

Beim Versuch, eine umfassende Karte der kosmischen Hintergrundstrahlung herzustellen, haben Forscher mehrere Regionen der Milchstraße genauer untersucht. Sie berichteten darüber auf einer internationalen Tagung im italienischen Bologna.

Eine erste Forschergruppe um Michael Peel von der Universität Manchester hatte eine diffuse Form der Mikrowellenstrahlung analysiert. Sie entsteht rund um die Ebene der Milchstraße und bedeckt somit einen größeren Teil des Himmels. Bereits von der US-amerikanischen Mission Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) entdeckt, waren die Ursprünge dieser Strahlung bislang unklar.

Mit dem ESA-Teleskop Planck gelang es jetzt, die Eigenschaften der Strahlung deutlich genauer zu messen und mit möglichen Ursachen abzugleichen. Demnach kommen mehrere Entstehungsprozesse in Frage: Freie Elektronen könnten zu Synchrotronstrahlung angeregt werden, während sie durch das galaktische Magnetfeld wandern. Bislang kannte man solche Prozesse aber vor allem aus dem Umfeld von Supernovae, die bevorzugt im Bereich der Milchstraßenebene stattfinden. Allerdings deuten die Ergebnisse der Forscher darauf hin, dass überwiegend rotierende Staubkörner für die diffusen Emissionen verantwortlich sind. Die Körner rotieren so schnell, dass elektrische Dipole im fraglichen Frequenzbereich Mikrowellen aussenden.

Eine zweite Forschergruppe um Jonathan Aumont von der Universität Paris-Süd erstellte erstmals eine Karte des galaktischen Kohlenstoffmonoxids. Das Molekül ist zwar relativ selten, tritt jedoch meist zusammen mit Wasserstoffgas in Sternentstehungsgebieten auf und verursacht ungleich hellere Emissionslinien. Bislang konnte das Molekül mit irdischen Radioteleskopen aber nur zeitaufwendig und deshalb punktuell gemessen werden. Die neue Verteilungskarte entstand dagegen vergleichsweise schnell und lieferte nun auch Hinweise auf bisher unbekannte Gaswolken mit besonders geringer Dichte.

Beide Ergebnisse sind eine Art Abfallprodukt der Planck-Messungen: Die von den Forschern verwendeten Daten müssen herausgerechnet werden, damit sich schließlich ein ungestörter Blick auf die kosmische Hintergrundstrahlung abzeichnet. Sie entstand direkt nach dem Urknall und ist deshalb von Effekten in unserer eigenen Milchstraße unabhängig. Da die Instrumente an Bord von Planck aber sehr genau arbeiten, müssen auch schwache und bisher unbekannte Prozesse im Umfeld der Milchstraße untersucht werden, um sie dann aus der Karte des frühen Universums zu eliminieren. Diese Arbeit soll bis 2013 abgeschlossen sein.

Raumcon:

• Neuer Blick aufs Universum mit Herschel/Planck

Verwandte Links:

• M. Peet al.: Template fitting of WMAP 7-year data: anomalous dust or flattening synchrotron emission?, arXiv (2011)

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Ein Beitrag von Simon Plasger. Quelle: ESA. Vertont von Peter Rittinger.

Am vergangenen Samstag war das letzte Kühlmittel (Helium) verbraucht und das Teleskop begann sich zu erwärmen. Daraufhin musste das für hohe Frequenzen spezialisierte Instrument seine Arbeit einstellen, da es seine Fähigkeit verlor, die schwachen Energien des Restlichts des Urknalls zu untersuchen.

„Planck war eine wunderbare Mission. Sowohl Raumschiff als auch Instrumente haben hervorragend gearbeitet und dabei eine Schatztruhe mit wissenschaftlichen Daten für uns erstellt, mit denen wir arbeiten können“, sagte Jan Tauber, Planck-Projektwissenschaftler bei der ESA.

Etwa 0,5 Millionen Jahre nach dem Urknall, welcher vor ca. 13,7 Milliarden Jahren stattfand, kühlte sich das Universum auf etwa 4000 °C ab und füllte sich mit sichtbarem Licht. Dadurch, dass das All expandierte, verlor das Licht an Energie und dehnte sich zu Mikrowellen aus. Mit Untersuchungen, die aus Messungen dieses Lichts basieren, hoffen Wissenschaftler, neue Erkenntnisse über den Urknall und das frühe Universum zu gewinnen.

Planck führte diese Messungen mit seinen beiden Instrumenten „HFI“ für hohe und „LFI“ für niedrige Frequenzen durch. Dadurch, dass die Ergebnisse beider Instrumente kombiniert wurden, werden feine Details sichtbar.

Nachdem das Teleskop im Jahr 2009 zusammen mit Herschel gestartet worden war, bestand seine Aufgabe zunächst darin, zwei Himmelsdurchmusterungen durchzuführen. Aufgrund der langen Lebensdauer der Sonde konnten allerdings ganze fünf Durchmusterungen mit beiden Instrumenten durchgeführt werden.

Das zweite Instrument an Bord von Planck, das LFI, wird noch in einem großen Teil des Jahres 2012 weitere Untersuchungen durchführen können, da es auch bei höheren Temperaturen noch verwertbare Daten liefert. Es wird in dieser Zeit Daten kalibrieren, um die Qualität zu erhöhen.

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Der Beitrag Plancks HFI-Instrument stellt die Arbeit ein erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: ESA. Vertont von Peter Rittinger.

Planck macht das Unsichtbare sichtbar. Das Teleskop untersucht seit seinem Start am 14. Mai 2009 die kosmische Hintergrundstrahlung mit bisher unerreichter Genauigkeit. Die beteiligten Forscher wollen jene Prozesse besser verstehen, die kurze Zeit nach dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren abliefen. Natürlich kann Planck auch winzige Unterschiede in der Wärmestrahlung viel näherer Objekte beobachten, etwa Staubfäden im Hinterhof unserer eigenen Sonne.

„Wie genau diese Strukturen gebildet wurden, ist kaum verstanden“, sagt Jan Tauber, Projektwissenschaftler bei der ESA für Planck. Auf dem Bild sind zwei verschieden gefärbte Bereiche künstlich eingefärbt, um die Unterschiede deutlich zu machen. Weiß-pinke Töne zeigen Staub mit Temperaturen von nur einigen Zehntel Kelvin. Rote Töne sind etwas wärmer bei rund -261 Grad Celsius bzw. 12 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Der wärmere Staub hält sich in der Ebene der Milchstraße auf, während sich der kältere darüber und darunter ausdehnt.

Bei der Namensgebung nehmen die Astronomen Anleihen in der Meteorologie. Während die wärmeren nur molekulare Wolken genannt werden, handelt es sich bei den kühleren um Cirrus-Wolken. Beide bestehen jedoch aus Gas und aus Staub.
Welche Kräfte bei der Entstehung der Strukturen eine Rolle spielen, ist klar. Die Rotation der Galaxie um ihr Zentrum produziert spiralartige Strukturen, die nicht nur aus Sternen, sondern auch aus Gas und Staub bestehen. Dabei zerrt die Gravitation vorbeiziehender Sonnen ebenso an den Staubfäden wie das galaktische Magnetfeld. Dessen Einfluss selbst auf unser Sonnensystem erkannte man im vergangenen Jahr mit den ersten Ergebnissen der NASA-Mission IBEX.

Die Planck-Aufnahme entstand als Teil der ersten Himmelsdurchmusterung. Das Teleskop rotiert ständig, um wie beim Schälen einer Orange die gesamte Himmelskugel abzulichten. Dabei werden nicht nur die dunkleren extragalaktischen Himmelsbereiche abgebildet, sondern auch die unserer eigenen Milchstraße. Mit dem High Frequency Instrument (HFI) wurden die Wellenlängen 540 und 350 Mikrometer aufgenommen und mit einer 100 Mikrometer-Aufnahme des IRAS-Satelliten von 1983 kombiniert.

Raumcon:

• Neuer Blick aufs Universum mit Herschel/Planck
• Ariane 5 ECA V-188 mit *Herschel* / *Planck*

Der Beitrag Planck sieht sehr kalten Staub erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: ESA, eigene Recherche.

Nach ihrem erfolgreichen Start an Bord einer Ariane-5-ECA-Trägerrakete am 14. Mai in den fast wolkenlosen Himmel über Kourou in Französisch-Guayana (Raumfahrer.net berichtete), nähern sich beide Teleskope ihrem finalen Orbit um den Lagrange-2-Punkt an.

Die Minuten nach dem Start wurden von der Astronomengemeinde ausgiebig und mit einigem Bangen verfolgt. Immerhin standen zwei Nutzlasten auf der Rampe, deren Arbeit die astronomische Forschung der nächsten Jahre dominieren dürfte. Gleichzeitig haben sie einen großen Brocken des ESA-Budgets verschlungen. Weltweit waren eine Vielzahl Teleskope auf die sich bewegenden Punkte am Himmel gerichtet. Die ESA-Bodenstation auf Teneriffa konnte drei sich bewegende Punkte in einer Animation aufnehmen: Herschel, Planck und den Nutzlastadapter Sylda 5. Vergleichbares gelang dem australischen 3,5-Meter-Teleskop Faulkes.
Mit vorsichtigen Schritten zum L2
Während Sylda 5 – der Nutzlasten entledigt – in einen heliozentrischen Orbit eintreten wird, müssen die Teleskope vorsichtig an ihre Zielumlaufbahn herangeführt werden. Der L2-Punkt liegt von der Sonne aus gesehen „hinter“ der Erde, hier gleichen sich die Anziehungskraft von Erde und Sonne und die Fliehkraft der Umlaufbahn aus. Der L2-Punkt ist nur mit viel Fingerspitzengefühl zu erreichen. Mit rund acht Kilometern pro Sekunde bewegt sich ein Satellit auf einem stabilen erdnahen Orbit. Um den L2-Punkt zu umkreisen, darf er sich mit rund 50 Metern pro Sekunde relativ zur Erde fast gar nicht mehr bewegen. Dafür vollführen die Raumfahrzeuge winzige und sehr genaue Manöver – und sie müssen sich dafür viel Zeit lassen. Rund 60 Tage setzt die ESA daher für diese erste Missionsphase an.

Beide Satelliten führten einen Tag nach ihrem Start erste Manöver durch. Planck folgte mit einem zweiten Manöver am 18. Mai. Herschel wurde am gleichen Tag um nur 99 Zentimeter pro Sekunde beschleunigt. Während Herschel nun bereits seinen Zielorbit erreichen kann, sind für Planck am 5. Juni und am 2. Juli zwei weitere Kurskorrekturen geplant. Das Observatorium wird den L2-Punkt in einem engeren Orbit umlaufen als Herschel.

Energie- und Kälteversorgung
Schon während der Orbiteinschwenkung werden die Instrumente der Observatorien der Reihe nach eingeschaltet. Essentieller Teil beider Missionen sind jedoch die komplexen Kühlsysteme, welche die exakten Messungen erst ermöglichen. Diese sind zwiebelschalenartig mit absteigenden Temperaturniveaus gestaffelt und werden nun, von der höchsten Kühltemperatur beginnend, aktiviert.

An Bord von Herschel wurde das Teleskop bereits einen Tag nach dem Start auf die Dekontaminierungstemperatur von 170 K (-103°C) gebracht, bei der ein Einfrieren des Spiegels durch Ausgasungen des Teleskops verhindert werden soll. Der Kryostat, der mit flüssigem Helium und der Trennung verschiedener Helium-Isotope arbeiten wird, funktioniert laut ESA einwandfrei. Bis zur Aktivierung der vollen Kühlleistung von Planck ist Herschels SPIRE-Instrument mit 292 mK (0,292 K) nun der kälteste Punkt des Universums, sieht man von irdischen Tieftemperaturlaboren ab.
Auch an Bord von Planck wurden die ersten Kühlsysteme in Betrieb genommen, bisher bis hinunter zum 4K-Kreislauf, der über die Verdampfung von flüssigem Helium arbeitet. Das HFI-Instrument ist bereits in Betrieb und wartet nun darauf, dass die untergeordneten Kühlkreisläufe betriebsfähig sind. Damit werden 0,1 K erreicht.

Raumcon

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Der Beitrag Immer kälter: Herschel und Planck erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: ESA, Arianespace.

Mit der Doppelnutzlast Herschel und Planck der europäischen Raumfahrtagentur (ESA) stehen heute nachmittag zwei Nutzlasten an der Spitze einer Ariane 5 ECA-Rakete, die einen Großteil der weltraumgestützten Forschung der nächsten Jahre bestreiten werden. Die beiden Missionen haben ein Volumen von einer Milliarde und 600 Millionen Euro.

Das Infrarot-Teleskop Herschel wird mit einem effizienten Kühlsystem und dem größten bisher gestarteten Teleskopspiegel im All für uns bisher unsichtbare Prozesse sichtbar machen. Dazu gehören junge Galaxien und Sonnensysteme, die von Staubscheiben umgeben sind. Anders als sichtbares Licht kann Infrarotstrahlung interstellaren Staub durchdringen. Die etwas kleinere Nutzlast Planck wird, ebenfalls mit einem hochgenauen Kühlsystem ausgestattet, die Kosmische Hintergrundstrahlung (Cosmic Microwave Background, CMB) in bisher unerreichter Auflösung aufnehmen und fundamentale kosmologische Probleme beleuchten.

Mit dem erfolgreichen Empfang von Telemetriedaten endet die Liveberichterstattung für heute. Weitere Ereignisse um die nun beginnenden Missionen von Herschel und Planck finden Sie in Kürze auf Raumfahrer.net.

Donnerstag, 14. Mai 2009

15:59 Uhr (MESZ) Die ESA bestätigt, dass beide Observatorien Telemetriedaten zur Erde senden. Beide Nutzlasten sind gesund im All eingetroffen und haben die Strapazen des Starts überstanden.

15:57 Uhr (MESZ) Die ersten Telemetriesignale sollten jetzt von den ESA-Bodenstationen in Perth und New Norcia in Australien aufgenommen worden sein.

Ein erster Start-Replay ist mittlerweile verfügbar:

15:44 Uhr (MESZ) ESA-Generaldirektor Jean-Jaques Dordain bestätigt den erfolgreichen Start von Herschel und Planck und bedankt sich bei den beteiligten Mitarbeitern der ESA und von Arianespace.

15:40 Uhr (MESZ)Herschel und Planck wurden abgesetzt und sind nun auf sich gestellt. Sie sind auf dem Weg auf ihre unterschiedlichen Orbits um den L2-Punkt. Applaus brandet im Kontrollzentrum in Kourou auf und auch im ESOC in Darmstadt sieht man freudige Gesichter.

15:37 Uhr (MESZ) Eintritt in die ballistische Phase, Vorbereitung auf den Abwurf der Oberstufe, die ihre Arbeit getan hat. Herschel wird auf einer Höhe von 1.100 Kilometern, Planck bei 1.700 Kilometern abgesetzt.

15:30 Uhr (MESZ) Rund 18 Minuten nach dem Start beginnt die Höhe der Ariane 5-Oberstufe mit Herschel und Planck wieder zu steigen, derzeit bei 234 Kilometern und einer Geschwindigkeit von 8,8 Kilometern pro Sekunde. Noch sechs Minuten bis Brennschluss.

15:24 Uhr (MESZ) Die Rakete hat vorerst ihre maximale Höhe erreicht und fällt nun planmäßig wieder, derzeit fliegt sie auf 168 Kilometern Höhe. Das nächste große Ereignis ist der Abwurf der Oberstufe bei T plus 28 Minuten.

15:21 Uhr (MESZ) Abwurf der zweiten Stufe und die Zündung der kryogenen Oberstufe ist erfolgt.

15:19 Uhr (MESZ) Die Ariane 5 fliegt nun mit 4,5 Kilometern pro Sekunde in einer Höhe von 217 Kilometern.

15:15 Uhr (MESZ) Abwurf der Feststoffbooster ist erfolgt.

15:12 Uhr (MESZ)LIFTOFF! An Bord von Flug 188 der Ariane 5 ECA heben das Infrarot-Teleskop Herschel und das Mikrowellen-Observatorium Planck erfolgreich ab!

15:10 Uhr (MESZ) Bei T minus 2 Minuten sind weiter alle Systeme auf grün und bereit für den Start. Alle Tanks zeigen den optimalen Druck für den Start.

15:05 Uhr (MESZ) Die Systeme laufen nun auf interner Stromversorgung.

15:02 Uhr (MESZ) Das Wetter in Kourou, Französisch-Guayana sieht sehr gut aus, neben einer kleinen Wolke sieht man viel blauen Himmel. Es dürfte also einen Bilderbuchstart geben.

15:00 Uhr (MESZ) Beide Raumfahrzeuge sind in finaler Start-Konfiguration. Die Telemetriesysteme sind bereit und laufen auf externer Stromversorgung. Das ESA-Bodensegment meldet Bereitschaft. Weiterhin alles auf grün bei T-12 Minuten.

14:54 Uhr (MESZ) Der Arianespace-Webcast aus Kourou hat begonnen, wo derzeit die letzten Worte vor dem Start gesprochen werden. David Southwood hatte zuvor aus dem ESA-Kontrollzentrum ESOC in Darmstadt auf die hohen wissenschaftlichen und technologischen Maßstäbe verwiesen, die mit Herschel und Planck gesetzt werden. Bei T minus 18 Minuten ist weiter alles auf grün.

14:02 Uhr (MESZ) T minus 1 Stunde 10 Minuten: Die Verbindungen zwischen Trägerrakete und den Systemen zur Telemetrie-, Bahnverfolgungs- und Kommandosystemen werden überprüft. Alles steht weiterhin auf grün.

12:15 Uhr (MESZ) Die Befüllung der Tanks des primären Vulcain 2-Triebswerks mit Wasser- und Sauerstoff hat begonnen. Alle Systeme stehen auf grün, dem Start um 15:12 Uhr steht vorerst nichts im Wege.
Larry O’Rourke, Herschel Systemingenieur, sagte: „Heute endet die lange Zeit der Integration und Systemtests und es beginnt die operationelle Phase.“

Der Countdown beginnt bei T minus 30 Minuten, also um 14:42 Uhr (MESZ). Die Ereignisse werden in Kourou, aber auch im ESA-Kontrollzentrum ESOC in Darmstadt verfolgt, wo sich bereits etliche an der Mission Beteiligte zu Wort gemeldet haben.

10:30 Uhr (MESZ) Die Betankung der kryogenen Oberstufe der Ariane 5 ECA mit Flüssigwasserstoff und -sauerstoff hat begonnen.

Mittwoch, 13. Mai 2009

Die Startrakete von Herschel und Planck ist aus dem Final Assembly Builing herausgerollt worden. Die Rakete, bereits bestückt mit ihrer wertvollen Doppelnutzlast, wurde daraufhin in der Startzone ELA-3 platziert. Alles ist bereit für den Start!

Montag, 11. Mai 2009

Mit dem Aufsetzen der Nutzlastverkleidung sind Herschel und Planck gut verpackt für ihren gemeinsamen Start.

4. Mai 2009

Beide Raumfahrzeuge wurden erfolgreich an den Adapter Système de Lancement Double Ariane 5 (SYLDA 5) angeschlossen, der sie während des Starts verbindet und für eine erfolgreiche Aussetzung erst von Herschel, dann von Planck nahe dem Lagrange-2-Punkt (L2) sorgt.

April 2009

Die Befüllung der Kühlsysteme beider Raumfahrzeuge wurde abgeschlossen. Da Herschel und Planck extrem kleine Temperaturunterschiede messen sollen, gehört eine hocheffiziente Kühlung der Instrumente zu den Grundvoraussetzungen ihres Erfolgs.

23. April 2009

Die Startorganisation Arianespace gab eine Verschiebung des eigentlich für den 6. Mai geplanten Start bekannt. Die Ariane 5 ECA müsse noch ausgiebig getestet werden.

11. April 2009

Herschel wurde erfolgreich mit Treibstoff betankt. Das Raumfahrzeug wird mit 256 kg Hydrazin in die Lage versetzt, seinen Orbit um den L2-Punkt für mindestens vier Jahre zu halten.

Verwandte Links

• ESA: Herschel and Planck launch timeline

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Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: ESA.

Wenn es nach der ESA ginge, wäre alles bereit zum großen Auftakt. Die insgesamt 5.300 Kilogramm schwere Doppelnutzlast befindet sich in Kourou, dem europäischen Weltraumbahnhof in Französisch-Guayana und hat alle abschließenden Tests bestanden. Nun bleibt den Beteiligten nur noch, auf die Rakete zu warten. Aufgrund zusätzlicher Tests wurde der für den 6. Mai angesetzte Start der Ariane 5 ECA „um mehrere Tage“ verschoben (Raumfahrer.net berichtete).
UPDATE 13.00 Uhr: Einer neuen ESA-Pressemitteilung zufolge wurde der Start von der Startorganisation Arianespace nun auf den 14. Mai festgelegt.

Herschel: Alles an seinem Platz
Die drei hochsensiblen Instrumente an Bord von Herschel wurden letzten Tests unterzogen, die laut ESA alle zufriedenstellend verliefen. Ihre nächste Aktivierung findet statt, wenn das Teleskop an seinem Zielorbit um den L2-Punkt angekommen ist. Zuvor wurde die Gesamtstabilität des Raumfahrzeugs und die korrekte Positionierung etlicher Instrumente getestet. Dabei ging es ausschließlich um Geräte, die aus dem Körper des Observatoriums herausstehen, darunter Manöverdüsen, den Sensor zur Erfassung des Sonnenstands, den zur Feststellung einer anormalen Raumlage, die Teleskophalterung sowie das Ausgasungsrohr des Kryostaten. Diese Teile könnten während eines Starts Probleme bereiten, wenn sie nicht wie vorgesehen ausgerichtet sind. Zuletzt wurde der Ariane 5 Launching Adapter überprüft, der beide Raumfahrzeuge miteinander und mit der Oberstufe der Rakete verbindet.

Planck: Immer cool bleiben

Am 17. April hatten ESA-Ingenieure die einen Monat andauernden Tests des Telemetrie- und Kommunikationssystems erfolgreich abgeschlossen. Die mit 1.400 Kilogramm leichtere Nutzlast Planck wurde anschließend mit Kühlmitteln und Treibstoff betankt. Wie für Herschel ist auch für das Hintergrundstrahlungs-Observatorium die Kühlung eine missionskritische Komponente. Werden die Instrumente an Bord nicht ausreichend gekühlt, wird die anvisierte Auflösung nicht erreicht. Die Kryosysteme Plancks werden das Low Frequency Instrument, das im Radiobereich arbeitet, auf rund 20 Kelvin (-253°C) herunterkühlen, während das High Frequency Instrument (HFI), das Mikrowellenstrahlung misst, partiell auf 0,1 Kelvin gebracht wird – ein Zehntel Grad über dem absoluten Nullpunkt.

Um diese Temperaturen zu erreichen, wurden nun drei der Kühlmitteltanks von Herschel mit ⁴He betankt, ein vierter mit dem deutlich selteneren Isotop ³He. Das Helium wird bei einem extrem hohen Druck von rund 295 bar (30 MPa) vermischt, einem Zustand, der auch als superfluide bezeichnet wird. Diese exotische Materieform, in welcher der Stoff seine internen Reibungskräfte gänzlich verliert, erlaubt eine Kühlung auf die benötigten Temperaturen.

Um den relativ instabilen Orbit um den L2-Punkt halten zu können, brauchen Herschel und Planck relativ große Treibstoffmengen. Mindestens alle drei Wochen steht eine Kurskorrektur an. Die Betankung Plancks mit Treibstoff wurde Mitte April abgeschlossen. Die Handhabung der rund 128 Kilogramm Hydrazin an Bord ist aufgrund von Explosivität und Toxizität des Stoffs mit besonderen Sicherheitsvorkehrungen verbunden. Nach der Befüllung wurde das Raumfahrzeug und das gesamte verwendete Equipment gereinigt, so dass am Ende weniger als 0,1 parts per million (ppm) des Stoffs nachweisbar waren.

Planck wurde schließlich vervollständigt und weiteren Tests unterzogen:

• Die letzte fehlende Isolationsschicht des Servicemoduls wurde aufgebracht. Sie dient vor allem der Abschirmung gegenüber der temperaturempfindlichen Instrumentensektion.
• Die Solarpaneele an der Unterseite des Servicemoduls wurden einzeln beleuchtet, um alle elektrischen Verbindungsleitungen auf ihre Funktionsfähigkeit zu testen.
• Planck wurde an den Launching Adapter angeschlossen.

Raumcon

• Neuer Blick aufs Universum mit Herschel/Planck
• Ariane 5 ECA V-188 mit *Herschel* / *Planck*

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Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: ESA.

Das nach dem Uranusentdecker Wilhelm Friedrich Herschel benannte Teleskop ist mit 3.900 kg das Schwergewicht des Starts und besitzt mit 3,5 Metern Durchmesser die größte jemals ins All gestartete Teleskopschüssel. Um leuchtschwache Infrarotobjekte präzise aufnehmen zu können, darf Herschels Arbeit nicht durch Störsignale anderer Himmelskörper oder gar von sich selbst beeinflusst werden. Die Messinstrumente, die im Ferninfrarot sowie im Submillimeter-Bereich arbeiten, werden von superfluidem Helium auf bis zu -272,85 °C oder 0,3 K heruntergekühlt. Dafür sind die drei Spektrometer in einer großen Thermosflasche – dem Cryostaten – untergebracht. Rund 2.400 Liter flüssiges Helium werden seine Missionsdauer auf rund vier Jahre begrenzen. Ist das Kühlmittel verbraucht, sind keine exakten Messungen mehr möglich. Bis dahin wird das ESA-Teleskop die Arbeit seines US-Kollegen Spitzer und in einem deutlich breiteren Frequenzspektrum fortsetzen. Das Infrarot-Teleskop der NASA startete bereits 2003 und wird sein Kühlmittel in Kürze aufgebraucht haben.

Gelingt der ESA die Abschirmung, wird Herschel Einblicke in Raumregionen erhalten, die bisher durch dichte Staubwolken verhüllt waren. Infrarotstrahlung kann diese anders als sichtbares Licht durchdringen und ermöglicht es dem Teleskop, etwa die Entwicklung von Galaxien im jungen Universum zu untersuchen. Auch zukünftige Sonnensysteme sind von dichten Staubscheiben umgeben, aus denen sich später Planeten entwickeln können. Die Details dieser Prozesse waren bisher nur schwer zu beobachten. Herschel soll zudem die Molekülchemie von Planeten, Asteroiden und von weiter entfernten Objekten analysieren.

Die Schwerlastvariante ECA der Ariane-Trägerrakete wird die gemeinsam 5.300 kg schwere Doppelnutzlast nahe dem Lagrange 2-Punkt (L2) aussetzen. Hier gleichen sich die Schwerkraft von Sonne und Erde aus und beide Körper stehen ständig an derselben Stelle. Obwohl dies für die thermische Abschirmung der beiden Teleskope von Vorteil ist, haben die Orbits um den L2-Punkt den entscheidenden Nachteil der Bahninstabilität, so dass alle drei Wochen eine Kurskorrektur notwendig wird.

Nachdem die Ariane-Oberstufe Herschel in einen Transferorbit abgesetzt hat, kommt wenig später Planck an die Reihe. Die Aufgabe des Observatoriums besteht in der genauen Vermessung der CMB: Als das Universum 380.000 Jahre nach dem Urknall durchsichtig wurde, hatte es eine Temperatur von rund 3.000 K. Durch seine Expansion vergrößerte sich die Wellenlänge des Strahlungshintergrunds und die Temperatur des Universums sank auf den heutigen Wert von 2,7 K. Die Hintergrundstrahlung ist von Objekten unabhängig und verteilt sich relativ gleichförmig über die gesamte Himmelskugel.

Plancks Vorgängermissionen COBE (1989 – 93) und WMAP (Start 2001) der NASA hatten erstmals Karten des CMB erstellt und damit die Urknallhypothese untermauert. Planck wird die Auflösungsfähigkeit von COBE um den Faktor 50 sowie die von WMAP um den Faktor drei übertreffen. Das Observatorium wird Temperaturen von einem Millionstel Kelvin sowie Strukturen im Bereich von fünf Bogenminuten auflösen können. Laut ESA entspricht dies der erdgebundenen Messung der Wärmeabstrahlung eines lebendigen Hasen auf der Mondoberfläche.

Während das High Frequency Instrument (HFI) im Radiowellenbereich arbeitet, wird das Low Frequency Instrument (LFI) Mikrowellenstrahlung detektieren. Beide Bereiche gehören zum kosmischen Strahlungshintergrund. Das Problem seiner exakten Vermessung sind die effektive Abschirmung und Kühlung der sensiblen Detektoren. Bereits durch seinen Aufbau ist Planck passiv gekühlt: Die Abwärme der Instrumentensektion wird durch Radiatoren ins All abgeführt, so dass sich die Temperatur bei rund 50 K halten kann. Die Instrumente werden von den beheizten Komponenten des Servicemoduls abgeschirmt, das Systeme zur Datenverarbeitung, Kommunikation und Steuerung der Instrumente enthält.

Zwei weitere Kryosysteme kühlen HFI und LFI weiter herunter: mit flüssigem Wasserstoff auf 20 K, während die Strecke zwischen Teleskop und Wärme messenden Bolometern des HFI mit flüssigem Helium auf 4 K gebracht wird, dem Siedepunkt von Helium. Der technologische Gral sitzt jedoch im dritten Kühlkreislauf: Damit werden Thermometer, Bolometer und Filter auf Temperaturen zwischen 1,6 und 0,1 K gebracht. Das System setzt auf die Lösung des Helium-Isotops ³He in ⁴He, die in superfluidem Zustand vorliegen. In diesem Zustand unter extrem niedrigen Temperaturen und hohem Druck wirken keine internen Reibungskräfte mehr und Lösungsvorgänge können auch in Schwerelosigkeit funktionieren.

Mit Planck sollen fundamentale Probleme der Kosmologie beleuchtet werden: Wie ist es um die Expansion des Universums bestellt, beschleunigt sie sich tatsächlich? Eng damit verbunden ist die Frage der Baryonendichte, also dem Anteil der atomaren Materie im gesamten Universum verglichen mit der kaum verstandenen Dunklen Materie und Dunklen Energie. Die Modelle zur Entwicklung des jungen Universums sind bisher nur ansatzweise durch Beobachtungen nachgewiesen worden, weil ausreichend genaue Beobachtungsdaten fehlten. In der sogenannten Inflationsphase machte es laut dem theoretischen Physiker Alan Guth eine extrem schnelle Ausdehnung mit, womit die heutige Flachheit des Raums erklärt werden kann. Die hohe Energiedichte hätte nach Modellrechnungen sonst einen deutlich stärker gekrümmten Raum hervorgerufen, als wir ihn heute beobachten. Sollte es jedoch Inkonsistenzen im Theoriengebäude der Kosmologen geben, könnte Planck diese aufdecken. Dazu gehören vorhergesagte topologische Defekte wie kosmische Strings. Die Existenz dieser extrem dünnen und über viele Lichtjahre ausgedehnten massereichen Bänder könnten nach dem heutigen Urknallmodell entstanden sein, wurden bisher aber nicht gefunden.

Wilhelm Friedrich Herschel und Max Planck sind die Namen großer Forscher, die das Wissen ihrer Zeit fundamental erweiterten und veränderten. Die ESA-Missionen werden dem Ruf ihrer Namensgeber durch technologische Quantensprünge gerecht und werden vielleicht schon bald unser physikalisches Weltbild zu verändern.

Technische Daten

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• Herschels Teleskop ist fertig (Meldung vom 26.05.2005)

Verwandte Webseiten:

• ESA: Planck (engl.)
• Planck Science Team Home (engl.)
• ESA: Herschel (engl.)
• Planck`s Cooling System (engl.)
• ESA: Herschel / Planck Orbit Animationen (engl.)

Diskussion zu diesem Artikel

• Neuer Blick aufs Universum mit Herschel/Planck
• Ariane 5 ECA V-188 mit *Herschel* / *Planck*

Der Beitrag Herschel und Planck: Ein Blick hinter die Kulissen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: ESA.

Während die Betankung der Nutzlast der Ariane 5 ECA mit dem Treibstoff Hydrazin bereits abgeschlossen wurde, müsse der Träger selbst noch weiter getestet werden.
Das Infrarot-Teleskop Herschel sowie das Observatorium zur Untersuchung der Mikrowellenhintergrundstrahlung Planck sollten ursprünglich am 6. Mai 2009 vom französischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana starten.

Raumcon:

• Ariane 5 ECA V-188 mit *Herschel* / *Planck*

Der Beitrag Startverschiebung für Planck/Herschel erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: New Scientist Space/University North Carolina.

Es wird noch Dutzende von Milliarden Jahren dauern und selbst unser Sonnensystem wird dann nicht mehr existieren, aber eines Tages ist der Tag: Dann wird unser Universum aufhören zu existieren. Welches grauenvolle Schicksal erwartet das Universum? Einige Physiker sind der Ansicht, dass es von seiner eigenen „dunklen Energie“ in Stücke gerissen werden wird. Andere denken, dass es in einer endlosen Serie von Urknallen und Endcrashs gefangen ist – dass es also ein um´s andere Mal in sich zusammenfallen wird, nur um gleich wieder im nächsten Urknall neu geboren zu werden.
Die Kosmologen Lauris Baum und Paul Frampton von der Universität von North Carolina in Chapel Hill haben diese beiden Ideen nun in einer neuen, noch unvorstellbareren Möglichkeit kombiniert: Demnach zerplatzt unser Universum schlussendlich in Milliarden von Teile, deren jedes seinerseits zu einem neuen Universum wird. Dieses Modell könnte das Rätsel lösen, warum unser frühes Universum so überraschend wohl geordnet war.
Denn eines der Probleme, die kosmologische Modelle erklären müssen, dreht sich um den Grad der „Unordnung“ im Universum. Diese Unordnung bezieht sich auf die Art und Weise, in der die Partikel im Universum angeordnet sind. Sie wird mit einer Größe namens Entropie bezeichnet, die auch aus der Thermodynamik und anderen Disziplinen bekannt ist und dort teilweise ähnliche Bedeutungen hat. Kosmologen gehen davon aus, dass das Universum nach dem Urknall in einem geordneten Zustand niedriger Entropie startete und sich dann allmählich in den vermischteren, höher entropischen Zustand entwickelte, wie wir es heute kennen. Das ist insofern überraschend, als es sowohl für Partikel als auch für Energie wahrscheinlicher ist, in einem Zustand größerer Unordnung erzeugt zu werden. Wie das Universum unter solchen Umständen so wohl geordnet beginnen konnte, das genau ist für Kosmologen ein ziemliches Rätsel.

Die Antwort könnte mit der Art zusammhängen, wie Universen entstehen und vergehen. Das Schicksal des Universums hängt davon ab, wie sich die dunkle Energie – die Kraft, von der man annimmt, dass sie das Universum auseinander treibt – mit der Zeit ändert. Wenn sie unbegrenzt zunimmt, dann wird sie schließlich alles auseinander reißen. Sie wird das Universum in einem Ereignis zerstören, das Kosmologen schon als „Big Rip“ bezeichnen, also das „Große Zerreißen“. Und Lauris Baum und Paul Frampton berufen sich auf genau diesen Effekt, um zu erklären, warum sich die Entropie des frühen Universums in Grenzen hielt.

In ihrem neuen Modell wird die dunkle Energie (deren Existenz ihrerseits noch längst nicht bewiesen ist) sehr dicht und lässt das Universum derart schnell expandieren, dass es sich schließlich dem „Big Rip“ nähert. Das Universum beginnt in Flecken oder „Scherben“ zu zerreißen, die sich mit mehr als Lichtgeschwindigkeit voneinander entfernen. Aber die Zerstörung kommt gerade noch – Sekunden vor dem „Big Rip“ – zum Stehen, da die Dichte der dunklen Energie nun gleich der des Universums wird. An diesem Punkt fällt jeder einzelne Fleck in sich selbst zusammen. „All´ die Flecken, von denen es sehr viele gibt, kontrahieren jeder für sich in ein eigenes Universum„, sagt Frampton. Und nachdem sie zusammen gefallen sind, bersten diese Universen wieder auseinander, und jedes von ihnen startet mit einem eigenen Raum und einer eigenen Zeit.

Entscheidend bei diesem Modell ist nun Folgendes: Jeder Fleck soll nur einen Bruchteil der Gesamtentropie des „Mutteruniversums“ enthalten. Damit wäre erklärt, warum jedes Universum in einem niedrig entropischen Zustand beginnt. Die Arbeit wird in den „Physical Review Letters“ erscheinen.

Paul Steinhard, Kosmologe an der Princeton-Universität, würde das Modell gerne weiterentwickelt sehen. „Ich bin neugierig zu sehen, wie weit sie diese Idee treiben können“, sagt er.

Diese und andere kosmologische Modelle können ab Juli 2008 auf den Prüfstand gestellt werden, wenn der Satellit Planck der ESA gestartet wird. Dieser Satellit soll die dunkle Energie, auf Basis der real messbaren kosmischen Hintergrundstrahlung, weiter erforschen und könnte so klären helfen, inwieweit das neue Modell im Unterschied zum Standard-Urknall-Modell zutreffen könnten. Fakt ist: Egal welches Modell nun zutrifft, ist es bis zum Ende des Universums, wie wir es kennen, noch sehr, sehr, sehr lange hin.

Der Beitrag Der Tag, an dem das Universum zerreißt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.