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Eine neue Analysemethode für Beobachtungen des Planck-Satelliten

Das EU-finanzierte Projekt BeyondPlanck verfolgt einen iterativen Ansatz, um die ersten Gravitationswellen zu entdecken, die während des Urknalls erzeugt wurden.

Weltraum

Eine der größten Errungenschaften der modernen Physik ist die Entwicklung der Hochpräzisions-Kosmologie, die Wissenschaft um den Ursprung und die Entwicklung des Universums. Mithilfe der Wärme, die vom Urknall übrig geblieben ist und als kosmische Hintergrundstrahlung bezeichnet wird, haben Kosmologen wichtige Parameter wie das Alter und den Energiegehalt des Universums prozentgenau ausgelotet. Ein wichtiger Meilenstein der Hochpräzisions-Kosmologie war der erfolgreiche Abschluss der Planck-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), die darauf ausgelegt wurde, die Signaturen von während des Urknalls erzeugten Dichtewellen zu erkennen. Im Vergleich zu vorherigen Satelliten profitierte Planck von einem weitaus höheren Empfindlichkeitsniveau, das nicht einmal durch instrumentelles Rauschen beeinträchtigt wurde. Diese hohe Empfindlichkeit führte jedoch zu neuen Problemen, darunter Interferenzen aufgrund der instrumentellen Systematik und Konfusion aufgrund der astrophysikalischen Vordergrundemissionen der Milchstraße. In Anbetracht von zukünftigen Satellitenmissionen, die auf eine zehnmal höhere Empfindlichkeit als der Planck-Satellit ausgerichtet sind, sind neue Methoden erforderlich, um diese Herausforderungen zu überwinden. Um hierzu beizutragen, wird im Rahmen des EU-finanzierten Projekts BeyondPlanck eine völlig neue Methode für die gemeinsame Analyse von Planck-Beobachtungen entwickelt. „Anstelle einer linearen Analyse der kosmologischen, astrophysikalischen und instrumentellen Datensätze von Planck verfolgt das BeyondPlanck-Projekt einen iterativen Ansatz“, sagt Projektkoordinator Hans Kristian Eriksen. „Dadurch können wir die Vordergrundstrahlungen analysieren, die daraufhin wieder in den Kalibrierungsprozess eingespeist werden können, um bessere Vordergrundstrahlungsschätzungen zu erzielen, was wiederum zu einer besseren Kalibrierung führt, usw.“ Rekordgeschwindigkeit Obwohl die Projektarbeit noch im Gange ist und weiter geforscht wird, wurden bereits mehrere wichtige Ergebnisse erzielt. Eines der bislang beeindruckendsten Ergebnisse ist die Produktion einer Einzelprobe der Planck-Karte für den Bereich von 30 GHz in nur 90 Sekunden, einschließlich Kalibrierung, Rauschabschätzung und Kartenherstellung. „Das geht schneller als die anderen Schritte in der Pipeline, einschließlich der Modellierung der Vordergrundstrahlung“, sagt Eriksen. „Unsere Arbeit hat somit bewiesen, dass die Art der iterativen Probenanalyse, von der wir zu Beginn dieses Projekts hypothetisch ausgegangen sind, tatsächlich möglich ist.“ Methoden für die Zukunft Da die erforderliche Infrastruktur und der Code mittlerweile fast fertiggestellt sind, richten die Forscher ihre Aufmerksamkeit nun darauf, die wissenschaftlichen Ergebnisse mittels einer neuen Methode für die Durchführung einer End-to-End-Analyse von Beobachtungen kosmischer Hintergrundstrahlung auszuschöpfen. Obgleich das Kernziel des Projekts ist, diese neue Methode für bessere Planck-Ergebnisse zu nutzen, sind die Forscher zuversichtlich, dass die Methode gleichermaßen bei zukünftigen Experimenten angewandt werden kann. Sie könnte sogar eine wichtige Rolle bei der zukünftigen Detektion von Gravitationswellen des Urknalls spielen. „Ich bin davon überzeugt, dass unsere Methode das Gebiet im kommenden Jahrzehnt neu definieren wird, da weitaus robustere Ergebnisse aus einem breiten Spektrum von Experimenten ermöglicht werden“, sagt Eriksen. „Vor allem, weil die gemeinsame Analyse verschiedener Experimente ermöglicht wird, können Forscher nahtlos Synergien zwischen verschiedenen Experimenten nutzen.“

Schlüsselbegriffe

BeyondPlanck, Planck-Mission, Europäische Weltraumorganisation (ESA), Urknall, Kosmologie, kosmische Hintergrundstrahlung

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