Die ersten Teleskope des Simons Observatory in Chile haben mit der Datenerfassung begonnen und markieren damit den wissenschaftlichen Start dieses auf zehn Jahre angelegten Projekts, das die bisher präziseste Messung der kosmischen Hintergrundstrahlung durchführen soll.
Das Ziel ist es, in diesen ersten Lichtzeichen des Kosmos die winzigen Spuren von Gravitationswellen zu entdecken, die durch eine Inflationsphase des frühen Universums entstanden sein könnten. An diesem Projekt sind zwei Labore des IN2P3, APC und IJCLab, beteiligt.
Das Simons Observatory hat seine Hauptbauphase in den Höhenlagen der Atacama-Wüste in Chile abgeschlossen und kann nun mit der Datenerfassung beginnen, die zu den präzisesten jemals durchgeführten Messungen des ältesten Lichts im Universum führen soll. Dieses Licht, bekannt als kosmische Hintergrundstrahlung (Cosmic Microwave Background, CMB), wurde etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall ausgesendet und enthält die Geheimnisse der Entstehung des Kosmos.
Wissenschaftler vermuten, dass eine Periode schneller Expansion des Universums in seinen allerersten Momenten, die als Inflation bezeichnet wird, Gravitationswellen im Gefüge der Raumzeit erzeugt haben könnte. Diese Wellen beeinflussen die Polarisierungseigenschaften des Lichts der kosmischen Hintergrundstrahlung, indem sie ein einzigartiges Muster hinterlassen, das Kosmologen als "B-Modes der Polarisation" bezeichnen.
"Ihre Entdeckung würde ein beispielloses Fenster eröffnen, um zu verstehen, wie das Universum entstanden ist, und eine Bestätigung der Inflationstheorie bieten", erklärt Mark Devlin, Co-Direktor des Observatoriums der University of Pennsylvania. "Die Amplitude der primordialen B-Modes wird uns über den Zustand des Universums in den ersten Augenblicken nach seiner Entstehung informieren."
"Die Frage nach dem Ursprung des Universums hat die Menschen schon immer fasziniert", sagt Brian Keating, Hauptforscher des Observatoriums der University of California in San Diego. "Mit dem Simons Observatory stehen wir kurz davor, Antworten zu finden, die nicht auf bloßen Spekulationen beruhen, sondern auf den präzisesten Daten, die jemals von den fortschrittlichsten Teleskopen der Welt gesammelt wurden."
"Wir heben die Erforschung des frühen Universums auf ein neues Niveau", sagt Suzanne Staggs, Co-Direktorin des Simons Observatory an der Princeton University. "Die Empfindlichkeit unserer Instrumente eröffnet neue Perspektiven für dieses Forschungsfeld."
Die Suche
Eines der Hauptziele des Simons Observatory ist es, zu klären, was in der ersten Dezillionstelsekunde nach dem Urknall geschah (das heißt, ein Trillionstel eines Trillionstels einer Milliardstel Sekunde). In diesem kurzen Moment glauben die Wissenschaftler, dass das Universum seine Größe um den Faktor 100 Trillionen mal Billionen vergrößerte. Dies wäre vergleichbar mit einer Bakterie, die auf die Größe einer Galaxie anwächst.
Um ideale Beobachtungsbedingungen zu nutzen, wurde das Simons Observatory auf dem Mount Toco in der Atacama-Wüste in Chile auf fast 5200 Metern Höhe errichtet. Auf dem Bild sind die drei 40-Zentimeter-Teleskope (SAT) zu sehen, die von einem Schirm umgeben sind, der sie vor terrestrischen Emissionen schützt. Im Vordergrund befindet sich die Struktur des 6-Meter-Teleskops (LAT), das sich im Aufbau befindet.
Bild: Gabriele Coppi, Rolando Dunner, Ederico Nati, Matias Rojas Die quantenmechanischen Fluktuationen im frühen Universum erzeugten die ersten Inhomogenitäten im Kosmos, die sich später zur Verteilung der Materie entwickelten, die wir im modernen Universum beobachten. Diese Fluktuationen erzeugten auch Wellen in der Raumzeit, die als primordiale Gravitationswellen bekannt sind.
Obwohl diese Inflationsperiode ein entscheidender Moment in der Geschichte des Universums war, können wir sie nicht direkt beobachten. Das frühe Universum war zu heiß und dicht, als dass sich Licht frei ausbreiten konnte. Erst nach 380.000 Jahren der Entwicklung und Abkühlung des Plasmas, aus dem das frühe Universum bestand, konnte sich das Licht ungehindert ausbreiten. Dieses Licht sehen wir heute als kosmische Hintergrundstrahlung.
Wie das Licht durch eine Sonnenbrille polarisiert wird, kann auch das Licht der kosmischen Hintergrundstrahlung eine bevorzugte Ausrichtung oder "Polarisation" haben. Die Gravitationswellen der Inflation hätten subtile Muster in der Polarisation der kosmischen Hintergrundstrahlung hinterlassen, die als B-Modes bekannt sind. Das Auffinden dieser B-Modes würde beispiellose Informationen über die ersten Augenblicke des Universums liefern.
"Wir sind auf der Spur eines Signals, das in der ersten Milliardstel eines Trillionstels eines Trillionstel Sekunde nach dem Urknall erzeugt wurde", sagt Arthur Kosowsky, Sprecher der Simons Observatory Collaboration der University of Pittsburgh. "Niemand weiß, ob dieses Signal heute noch groß genug ist, um gesehen zu werden. Es zu sehen wäre, als hätte man in der Physiklotterie gewonnen – die wissenschaftliche Bedeutung wäre enorm."
Kartierung der kosmischen Hintergrundstrahlung
Das Simons Observatory umfasst drei 40-Zentimeter-Teleskope (SAT) und ein 6-Meter-Teleskop (LAT), die zusammen eine beispiellose Empfindlichkeit für die Messung der Polarisation der kosmischen Hintergrundstrahlung erreichen werden. Seit April 2024 sind zwei der SATs kalibriert und befinden sich nun im Beobachtungsmodus. Das dritte SAT soll in den kommenden Monaten betriebsbereit sein, und das LAT wird Anfang nächsten Jahres in Betrieb gehen.
Bild des Planeten Jupiter mit den Detektoren des Simons Observatory. Die scheinbare Größe des Planeten spiegelt die Auflösung der Teleskopoptiken wider. Die Scans von Jupiter gehören zu den ersten Beobachtungen und wurden zur Kalibrierung der Instrumente des Observatoriums verwendet.
Bild: The Simons Observatory collaboration Die Größe des Simons Observatory und die innovative Nutzung neuer Technologien ermöglichen es, detaillierte Karten der kosmischen Hintergrundstrahlung wesentlich schneller zu erstellen als frühere Teleskope. Insgesamt werden die vier Teleskope des Observatoriums 60.000 Detektoren nutzen, mehr als alle anderen Projekte zusammen.
Die supraleitenden Detektoren des Observatoriums arbeiten bei Temperaturen von 0,1 Grad über dem absoluten Nullpunkt, wobei eine Kühltechnologie verwendet wird, die ähnlich wie bei Quantencomputern ist. "Ich bin beeindruckt, dass unsere Instrumente so gut funktionieren", sagt Jeff McMahon, Gründungsmitglied des Simons Observatory der University of Chicago. "Noch begeisterter bin ich über die wissenschaftlichen Daten, die diese Teleskope zu erzeugen beginnen."
Die drei SATs werden gemeinsam ein Gebiet abdecken, das 20 % des südlichen Himmels umfasst, während das LAT 40 % des Himmels mit höherer Auflösung kartieren wird. Durch die Kombination der Empfindlichkeit der Teleskope mit innovativen Datenanalysetechniken maximiert das Team des Simons Observatory seine Chancen, die gesuchten B-Modes zu entdecken.
Die Zukunft des Observatoriums
Nach etwa vier Jahren Betrieb wird das Observatorium dank einer Förderung durch die National Science Foundation (USA) um 30.000 zusätzliche Detektoren erweitert. Die gesamte Beobachtungsdauer der Teleskope wird etwa 10 Jahre betragen.
"Zehn Jahre mögen lang erscheinen, aber wenn man die Kapazitäten der aktuellen Teleskope nutzt, würde es 60 Jahre dauern, unsere Empfindlichkeit zu erreichen", erklärt Mark Devlin. Zusätzliche Teleskope, die von Japan und dem Vereinigten Königreich finanziert werden, sollen ebenfalls 2026 in Betrieb gehen und die Anzahl der SATs verdoppeln.
Eine französische Beteiligung am Observatorium
Die Teams des IN2P3 sind am Simons-Projekt beteiligt, mit Beiträgen der Labore APC und IJCLab.
"Das Auffinden der B-Modes der Polarisation gleicht der Suche nach einer Nadel im Heuhaufen" erklärt Josquin Errard, Preisträger eines Europäischen Forschungsrats (ERC) und Co-Leiter der Messung der primordialen B-Modes innerhalb der Zusammenarbeit. "Die Beobachtungen der kosmischen Hintergrundstrahlung werden nämlich durch verschiedenste Emissionen astrophysikalischen und umweltbedingten Ursprungs beeinflusst, die das Signal kontaminieren, insbesondere durch Emissionen unserer eigenen Galaxie: der Milchstraße. Wir arbeiten an der Entwicklung neuer Datenanalysemethoden, die es erlauben werden, die unterschiedlichen Beiträge zu trennen."
Gleichzeitig wird eine mögliche instrumentelle französische Beteiligung am Observatorium diskutiert, geleitet vom LPSC in Partnerschaft mit CNRS Physique und CNRS Terre & Univers. Ziel ist es, ein neues SAT hinzuzufügen, das sich auf die Charakterisierung und Subtraktion der galaktischen Staubemissionen konzentriert, die das kosmologische Signal kontaminieren. Dieses neue Teleskop würde es ermöglichen, die Empfindlichkeit des Observatoriums gegenüber primordialen Gravitationswellen voll auszuschöpfen.
"Mit dem Erfolg der Planck-Satellitenmission hat sich Frankreich als führendes Land in der Wissenschaft des frühen Universums positioniert. Eine verstärkte Beteiligung unserer Gemeinschaft am Observatorium würde es ermöglichen, unser gesamtes Know-how, sei es instrumentell oder in der Datenanalyse, zu nutzen", fügt Thibaut Louis hinzu, Forscher am IJCLab und Leiter des Masterprojekts "Simons Observatory" am IN2P3.
Über das Simons Observatory
Das wissenschaftliche Team des Simons Observatory stammt aus dem Zusammenschluss zweier Kooperationen: dem Atacama Cosmology Telescope und dem Simons Array. Im Jahr 2014 schlug der Mathematiker und Mitbegründer der Simons Foundation, Jim Simons, vor, diese neue Kooperation zu finanzieren.
Erweiterungen des ursprünglichen Projekts wurden von der National Science Foundation (USA) sowie durch Forschungs- und Innovationsmittel aus dem Vereinigten Königreich und Japan finanziert. Das Projekt erhielt auch finanzielle Unterstützung von den Gründungsuniversitäten: Princeton, Berkeley, San Diego, Chicago und Pennsylvania. Insgesamt umfasst die Zusammenarbeit mehr als 350 Forscher von über 35 Institutionen.
Quelle: CNRS IN2P3