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Ultimate modelling of Radio foregrounds: a key ingredient for cosmology

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Enthüllungen von der größten Teilchenbeschleunigung im Universum

Ein Wissenschaftlerteam hat wesentliche Elemente bestimmt, welche die ursprüngliche, beim Urknall entstandene Strahlung verdecken. Die Ergebnisse werden einen Beitrag zur Entschlüsselung der Vorgänge während dieser ersten Momente leisten, bei der eine Billion Mal höhere Energiemengen im Spiel waren, als mit den raffiniertesten der verfügbaren Teilchenbeschleuniger erreichbar sind.

Weltraum

Soweit heute bekannt ist, entstand das Universum vor 13,8 Milliarden Jahren in nahezu einem einzigen Augenblick. Dieser Vorgang wird heute Urknall genannt. Eine winzig kleine, unendlich heiße und dichte „Singularität“ trat auf, dehnte sich aus und kühlte sich äußerst schnell ab, wobei die Dauer des Vorgangs noch viel kürzer als Bruchteile einer Sekunde war. Ein Verständnis der Vorgänge, die während dieser raschen Inflation abliefen, wird auch zu neuen Erkenntnissen bezüglich physikalischer Prozesse und Energiebereichen (Größenordnungen) führen, denen auf zahlreichen Gebieten wissenschaftlicher Anstrengungen eine große Bedeutung zukommt. Allerdings sind die Hinweise, die der Urknall hinterließ, im „Rauschen“ versteckt, das unser Kosmos in Milliarden von Jahren erzeugt hat. Ein EU-finanziertes Konsortium, das am Projekt RADIOFOREGROUNDS arbeitet, hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine wichtige Komponente dieses Rauschens zu charakterisieren. Ein Gelingen dieses Vorhabens wird die Wissenschaft in die Lage versetzen, diese bei Beobachtungen auszublenden, wodurch die Überreste des Urknalls und der Geburt unseres Universums sichtbar werden. Vordergrund versus Hintergrund Laut Projektkoordinator José Alberto Rubiño-Martin lieferte der Urknall „[...] die ursprünglichen Samen für die Bildung sämtlicher Strukturen, die wir heute im Kosmos sehen [...]. Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung ist die Reliktstrahlung, die im jungen Universum vorhanden war und die wir nun in Mikrowellen detektieren können.“ Die Wissenschaftlergruppe ist besonders an einer leichten Verdrehung der Schwingungsrichtung des Lichtes im Zusammenhang mit kosmischer Mikrowellenhintergrundstrahlung interessiert, die B-Modus-Polarisation genannt wird. Das Signal, das von dieser B-Modus-Polarisation ausgeht, ist sehr schwach und wird von Vordergrundstrahlung, die unsere eigene Galaxie sowie intergalaktische Quellen aussenden, verdeckt. Rubiño-Martin erklärt: „Mit einem Nachweis dieser ursprünglichen B-Modus-Signatur könnten neue Türen für die Fundamentalphysik geöffnet werden, zu Energiebereichen, die weit über das Standardmodell der Teilchenphysik hinausgehen, [...] zwölf Größenordnungen (1 000 000 000 000 Mal) höher als diejenigen, die mit dem Large Hadron Collider am CERN erreichbar sind. Nur wenn wir das Universum als Teilchenbeschleuniger einsetzen, können wir an diese Energiebereiche herankommen.“ Die Einzelheiten entlocken Der Schlüssel dazu sind zwei physikalische Prozesse, bei denen in unserer Galaxie Mikrowellenstrahlung entsteht, die Synchrotronstrahlung und die anomale Mikrowellenstrahlung. Bei beiden spielt das galaktische Magnetfeld eine bedeutende Rolle. Es war jedoch nicht bis ins Detail bekannt, wie die Synchrotronstrahlung genau polarisiert ist, und es gab keinerlei Informationen darüber, ob die anomale Mikrowellenstrahlung polarisiert ist oder nicht. Der Peak der anomalen Mikrowellenstrahlung liegt bei 20 GHz, während Synchrotronstrahlung bei Frequenzen unter 30 GHz die höchste Intensität aufweist. Das Team kombinierte Daten vom Nordhimmel, die Ergebnis des QUIJOTE CMB-Experiments am Institut für Astrophysik der Kanaren (IAC) (10-20 GHz) waren , mit neun vom Weltraumteleskop Planck der Europäischen Weltraumorganisation erstellten Karten, die den gesamten Himmel zeigen (30-857 GHz). In bahnbrechender Arbeit fertigte das Wissenschaftlerteam vier aussagekräftige Karten nach neuesten Erkenntnissen von der Strahlung am Nordhimmel bei 11, 13, 17 und 19 GHz an. „Auf diese Weise“, so erläutert Rubiño-Martin, „haben wir eine detaillierte Beschreibung der Polarisationseigenschaften der Synchrotronstrahlung geliefert. Es hat sich herausgestellt, dass die polarisierte Synchrotronstrahlung komplexer ist als ursprünglich erwartet. [...] Zusätzlich haben wir zusammen mit QUIJOTE den zum jetzigen Zeitpunkt genauesten oberen Grenzwert für den Polarisationsgrad anomaler Mikrowellenstrahlung definiert. Wie es sich gezeigt hat, ist dieser beinahe vernachlässigbar.“ Voraussichtlich werden diese Ergebnisse einen immensen Einfluss auf die Forschungsgemeinde für den Bereich der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung sowie unsere Möglichkeiten bei der Untersuchung des Zeitraums der Inflation haben. Die Erkenntnisse der Wissenschaftlergruppe von RADIOFOREGROUNDS stehen in Form von Open-Source-Software-Tools, Karten und Vordergrundmodellen auch der Öffentlichkeit zur Verfügung.

Schlüsselbegriffe

RADIOFOREGROUNDS, Energie, Universum, Urknall, kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung, ursprünglich, primordial, anomale Mikrowellenstrahlung, Synchrotronstrahlung, galaktisches Magnetfeld, Inflation, Strahlung

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