Planck-Weltraumteleskop

Planck (auch Planck Surveyor genannt) war ein Mikrowellen-Weltraumteleskop der ESA zur Erforschung der kosmischen Hintergrundstrahlung.

Planck
Typ:	Weltraumteleskop
Betreiber:	Europaische Weltraumorganisation ESA
COSPAR-ID:	2009-026B
Missionsdaten
Masse:	1921 kg (Startmasse) / 28 kg Teleskopmasse
Größe:	Höhe 4,2 m, Durchmesser max. 4,2 m
Start:	14. Mai 2009, 13:12:02 UTC
Startplatz:	CSG, ELA-3
Trägerrakete:	Ariane 5 ECA
Betriebsdauer:	4 Jahre, 5 Monate und 9 Tage
Status:	abgeschaltet am 23. Oktober 2013
Bahndaten
Bahnhöhe:	Lissajous-Bahn um den Lagrange-Punkt L2 des Erde-Sonne-Systems

Mission

Das 1921 kg schwere Planck-Teleskop^[1] wurde zusammen mit dem Infrarotteleskop Herschel durch eine Ariane 5 ECA in den Weltraum gebracht. Der Start erfolgte nach mehrmaliger Verschiebung am 14. Mai 2009 um 13:12 Uhr UTC vom Centre Spatial Guyanais bei Kourou.^[2] Nach dem Brennschluss der Oberstufe wurden der Planck-Satellit um 13:40 UTC wenige Minuten nach dem Herschel-Teleskop auf einer hochelliptischen Erdumlaufbahn zwischen 270 und 1.197.080 km Höhe, die 5,99° zum Äquator geneigt ist, ausgesetzt. Von dieser Umlaufbahn aus erreichte der Satellit nach mehreren Bahnmanövern seine Lissajous-Bahn um den Lagrange-Punkt L2 des Erde-Sonne-Systems.

Am 14. August 2013 wurde das Teleskop nach 1554 Tagen Betrieb vom L2-Punkt abgezogen und in eine heliozentrische Bahn gebracht, die sicherstellt, dass es für die nächsten 300 Jahre nicht durch die Erde eingefangen wird.^[3] Am 23. Oktober 2013 wurde Planck endgültig abgeschaltet.^[4]

Nutzlast

Das Low Frequency Instrument (LFI)

Das High Frequency Instrument (HFI)

Zur Beobachtung der Strahlung besitzt der Satellit zwei verschiedene Instrumente, das „High Frequency Instrument“ (HFI) für den höheren und das „Low Frequency Instrument“ (LFI) für den niedrigeren Frequenzbereich.^[5] Diese Instrumente bilden mit den beiden Spiegeln des Satelliten ein Teleskop, das auf einer Kohlenfaserstruktur aufgebaut ist.

Unterhalb des Teleskops befindet sich die im Wesentlichen aus drei Aluminiumsandwichschilden und Glasfaserstützen bestehende Kryostruktur („Cryo Structure“). Sie dient der Optimierung der Wärmeabstrahlung und dem Schutz des Teleskops vor dem warmen Satellitenkörper. Passiv wird so eine Temperatur von etwa 45 K erreicht. Das LFI wurde mit einem Sorptionskühler in einem geschlossenen Wasserstoff-Kreislauf auf 20 K gekühlt. Das HFI wurde zusätzlich durch einen geschlossenen Helium-Kreislauf auf 4 K gekühlt. Durch Mischung von flüssigem Helium-4 und Helium-3 wurden schließlich die Detektoren des HFI auf nur 0,1 K gekühlt, um das Rauschen zu unterdrücken. Dieser Kühlmechanismus des kältesten Teils von Planck ist offen, d. h. das Kühlmittel ging mit der Zeit verloren.

Low Frequency Instrument

Frequenz (GHz)	Bandbreite (Δν/ν)	Auflösung (arcmin)	Empfindlichkeit (Gesamtintensität) ΔT/T, 14 Monate Beobachtung (10−6)	Empfindlichkeit (Polarisation) ΔT/T, 14 Monate Beobachtung (10−6)
30	0,2	33	2,0	2,8
44	0,2	24	2,7	3,9
70	0,2	14	4,7	6,7

High Frequency Instrument

Frequenz (GHz)	Bandbreite (Δν/ν)	Auflösung (arcmin)	Empfindlichkeit (Gesamtintensität) ΔT/T, 14 Monate Beobachtung (10−6)	Empfindlichkeit (Polarisation) ΔT/T, 14 Monate Beobachtung (10−6)
100	0,33	10	2,5	4,0
143	0,33	7,1	2,2	4,2
217	0,33	5,5	4,8	9,8
353	0,33	5,0	14,7	29,8
545	0,33	5,0	147	–
857	0,33	5,0	6700	–

Technische Daten

• Höhe: 4,2 m
• Durchmesser: max. 4,2 m
• Startmasse: 1,921 t
• Hauptspiegeldurchmesser: 1,75 m
• Teleskopmasse: 28 kg
• Kühlflüssigkeit: 1500 l Helium
• Einsatzdauer: 21 Monate (geplant), 29 Monate erreicht (HFI), Teilbetrieb für weitere 7 Monate
• Bahn: Lissajous-Bahn, 0,28 Mio. km × 0,28 Mio. km um L2 Erde-Sonne, danach Kepler-Bahn um die Sonne
• Gesamtkosten: 600 Mio. Euro

Wissenschaftliche Arbeit

Geschichte

Materie- bzw. Energie-Anteil des Universums zum jetzigen Zeitpunkt (oben) und zur Entkopplungszeit (unten), 380.000 Jahre nach dem Urknall. (Beobachtungen der WMAP-Mission links, die aktuellere des Planck rechts) ^{[Anmerkung 3]}. Die Bezeichnung „Atome“ steht für „normale Materie“.

Das Projekt eines Satelliten zur genauen Untersuchung der kosmischen Hintergrundstrahlung wurde 1996 begründet und entstand in Zusammenarbeit von 40 europäischen und 10 amerikanischen Instituten mit der ESA.^[6] Der Satellit diente zur Erkennung der Temperaturfluktuationen der Hintergrundstrahlung im Bereich von einem Millionstel Grad. Er wurde ursprünglich unter dem Namen COBRAS/SAMBA evaluiert und später zu Ehren Max Plancks umbenannt.

Messung und Auswertung

Am 13. August 2009 wurde mit der regelmäßigen Beobachtung begonnen. Die erste vollständige Aufnahme des Himmels wurde im Juni 2010 fertiggestellt, um jedoch die volle Genauigkeit zu erreichen, war eine Nachbearbeitung nötig. Erste Ergebnisse wurden im Januar 2011 veröffentlicht.^[7] Das Kühlmittel für das HFI ging am 16. Januar 2012 zu Ende, das LFI konnte noch für Monate weiter betrieben werden, was insbesondere bessere Kalibrierung der Hochfrequenzdaten ermöglicht. Anstatt der vorgesehenen zwei schaffte Planck sogar fünf komplette Himmelsdurchmusterungen.^[8][9]

Ziel von Planck war eine Kartierung der kosmischen Hintergrundstrahlung parallel in neun Frequenzbereichen zwischen 30 und 857 GHz. Die Winkelauflösung von Planck ist mit Werten zwischen 4 Bogenminuten für die höchsten und 33 Bogenminuten für die niedrigsten Frequenzen^[5] wesentlich besser als bei den vergleichbaren früheren Projekten COBE und WMAP.

Gleichzeitig wurde die Vordergrundstrahlung der Milchstraße und Galaxien gemessen. Zur Ermittlung der Hintergrundstrahlung wird die Vordergrundstrahlung subtrahiert. Diese Störeffekte müssen zum einen zur Ermittlung der Hintergrundstrahlung sehr gut bekannt sein, sind aber auch von eigenem wissenschaftlichem Interesse z. B. zum tieferen Verständnis der Sternentwicklung.

Nach Simulationen von Gary Shiu und Bret Underwood von der University of Wisconsin–Madison könnten die Messungen des Planck-Satelliten geeignet sein, die Stringtheorie zu überprüfen.^[10]

Ergebnisse

Vergleich der Ergebnisse der Messungen der Hintergrundstrahlung von COBE, WMAP und Planck

Das erste wissenschaftliche Ergebnis war der Early-Release Compact-Source Catalogue, der im Januar 2011 während der Planck Konferenz in Paris vorgestellt wurde.^[11][12]

Am 21. März 2013 wurde ein Teil der Ergebnisse der Planck-Kollaboration in 24 Veröffentlichungen zeitgleich publiziert.^[13] Demnach ist z. B. das Alter des Weltalls geringfügig von 13,7 Milliarden Jahren auf 13,82 Milliarden Jahre erhöht. Auch die neuen Angaben zur Zusammensetzung des Weltalls (Dunkle Materie usw.) wurden quantitativ geändert. Auffällig ist aber eine geringe Asymmetrie der Materieverteilung.^[14]

Am 5. Mai 2014 wurde eine Karte des galaktischen Magnetfelds veröffentlicht.^[15]

Die endgültige Auswertung erfolgte 2018, was nicht bedeutet, dass die Interpretation der Daten nicht noch verbessert werden könnte. Die ursprünglichen Veröffentlichungen vom 17. Juli 2018 wurden bereits mehrfach durch neue Versionen ersetzt.

Kosmologische Parameter der Planck-Messungen

Die Kosmologischen Parameter der Messungen des Teleskops sind in der folgenden Tabelle wiedergegeben.

Parameter	Alter des Universums (Mrd. Jahre)	Hubble-Konstante ( km/(Mpc·s) )	Baryonen-Dichte	Dichte Kalte Dunkle Materie	Dichte Dunkle Energie	Dichteschwankung bei 8h−1 Mpc	Skalarer Spektralindex	Reionisation Optische Tiefe
Symbol	${\displaystyle t_{0}}$	${\displaystyle H_{0}}$	${\displaystyle \Omega _{b}h^{2}}$	${\displaystyle \Omega _{c}h^{2}}$	${\displaystyle \Omega _{\Lambda }}$	${\displaystyle \sigma _{8}}$	${\displaystyle n_{s}}$	${\displaystyle \tau }$
Planck 2018 Best fit	13,797 ± 0,023	67,36 ± 0,54	0,02237 ± 0,00015	0,1200 ± 0,0012	0,6847 ± 0,0073	0,8111 ± 0,0060	0,9649 ± 0.0042	0,0544 ± 0,0073
Planck 2013 Best fit	13,819	67,11	0,022068	0,12029	0,6825	0,8344	0,9624	0,0925
Planck 68 % Bereich	13,813 ± 0,058	67,4 ± 1,4	0,02207 ± 0,00033	0,1196 ± 0,0031	0,686 ± 0,020	0,834 ± 0,027	0,9616 ± 0,0094	0,097 ± 0,038
Planck+lensing Best fit	13,784	68,14	0,022242	0,11805	0,6964	0,8285	0,9675	0,0949
Planck+lensing 68 % Bereich	13,796 ± 0,058	67,9 ± 1,5	0,02217 ± 0,00033	0,1186 ± 0,0031	0,693 ± 0,019	0,823 ± 0,018	0,9635 ± 0,0094	0,089 ± 0,032
Planck+WP Best fit	13,8242	67,04	0,022032	0,12038	0,6817	0,8347	0,9619	0,0925
Planck+WP 68 % Bereich	13,817 ± 0,048	67,3 ± 1,2	0,02205 ± 0,00028	0,1199 ± 0,0027	0,685 +0,018/−0,016	0,829 ± 0,012	0,9603 ± 0,0073	0,089 +0,012/−0,014
Planck+WP +HighL Best fit	13,8170	67,15	0,022069	0,12025	0,6830	0,8322	0,9582	0,0927
Planck+WP +HighL 68 % Bereich	13,813 ± 0,047	67,3 ± 1,2	0,02207 ± 0,00027	0,1198 ± 0,0026	0,685 +0,017/−0,016	0,828 ± 0,012	0,9585 ± 0,0070	0,091 +0,013/−0,014
Planck+lensing +WP+highL Best fit	13,7914	67,94	0,022199	0,11847	0,6939	0,8271	0,9624	0,0943
Planck+lensing +WP+highL 68 % Bereich	13,794 ± 0,044	67,9 ± 1,0	0,02218 ± 0,00026	0,1186 ± 0,0022	0,693 ± 0,013	0,8233 ± 0,0097	0,9614 ± 0,0063	0,090 +0,013/−0,014
Planck+WP +highL+BAO Best fit	13,7965	67,77	0,022161	0,11889	0,6914	0,8288	0,9611	0,0952
Planck+WP +highL+BAO 68 % Bereich	13,798 ± 0,037	67,80 ± 0,77	0,02214 ± 0,00024	0,1187 ± 0,0017	0,692 ± 0,010	0,826 ± 0,012	0,9608 ± 0,0054	0,092 ± 0,013

Quellen: ^{[16][17][18][19][16][20][21]}

Weblinks

Commons: Planck-Weltraumteleskop – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Planck – ESA (englisch)
• Planck – ESA Science & Technology (englisch)
• Planck Science Team Home. ESA; abgerufen am 10. Februar 2018 (englisch).
• Planck beim Max-Planck-Institut für Astrophysik (englisch)
• Raumfahrer.net: Herschel und Planck: Ein Blick hinter die Kulissen
• Bernd Leitenberger: Bernd Leitenberger: Herschel und Planck
• Herschel-Planck Launch Kit (PDF; 1,3 MB)
• SpaceDaily: Coolest Spacecraft Ever In Orbit Around L2
• ESA Broschüre: BR-275 Planck
• Flight 188 – Ariane 5 – Satellites: HERSCHEL & PLANCK. EADS-Astrium, archiviert vom Original am 23. Dezember 2016; abgerufen am 1. Januar 1970 (englisch).
• Himmelskarte der kosmischen Hintergrundstrahlung (JPEG-Datei, 13 MB)
• Himmelskarte der Mikrowellenstrahlung: Hintergrundstrahlung und Vordergrundstrahlung (JPEG-Datei, 0,9 MB)
• Jan Tauber, Planck Collaboration: Planck Science and Legacy. Hrsg.: ESA. 2020 (esa.int [PDF]).

Anmerkung

1. Nach den Daten des PLANCK-Weltraumteleskops (ESA, 21. März 2013) ergeben sich im Vergleich zu WMAP leicht korrigierte Werte: Sichtbare Materie: 4,9 %, Dunkelmaterie: 26,8 %, Dunkle Energie: 68,3 %, Alter des Weltalls: 13,82 Milliarden Jahre, Planck reveals an almost perfect Universe, abgerufen am 9. Okt. 2013
2. Nach den Daten des PLANCK-Weltraumteleskops (ESA, 21. März 2013) ergeben sich im Vergleich zu WMAP leicht korrigierte Werte: Sichtbare Materie: 4,9 %, Dunkelmaterie: 26,8 %, Dunkle Energie: 68,3 %, Alter des Weltalls: 13,82 Milliarden Jahre, Planck reveals an almost perfect Universe, abgerufen am 9. Okt. 2013
3. Nach den Daten des PLANCK-Weltraumteleskops (ESA, 21. März 2013) ergeben sich im Vergleich zu WMAP leicht korrigierte Werte: Sichtbare Materie: 4,9 %, Dunkelmaterie: 26,8 %, Dunkle Energie: 68,3 %, Alter des Weltalls: 13,82 Milliarden Jahre, Planck reveals an almost perfect Universe, abgerufen am 9. Okt. 2013

Einzelnachweise

1. ARIANE 5 - Data relating to Flight 188 by Stéphane Leboucher
2. ESA: Ariane 5 carrying Herschel and Planck lifts off. 14. Mai 2009, abgerufen am 14. Mai 2009.
3. Tweet - ESA Science vom 15. August 2013
4. ESA: Last Command sent to ESA's Planck Space Telescope. 23. Oktober 2013, abgerufen am 23. Oktober 2013.
5. Dominik Schwarz: Vordergründige Strahlung. In: Physik Journal. Weinheim 2011, 10 (Okt.), S. 20–21. ISSN 1617-9439
6. Dem Urknall ins Auge blicken. In: Flieger Revue. Berlin 2009,4 (Apr.), S. 61–64. ISSN 0941-889X
7. ESA: Planck Published Papers. 8. August 2011, abgerufen am 20. März 2019 (englisch).
8. Pressemitteilung der ESA (englisch) (aufgerufen am 6. Februar 2012)
9. Welt der Physik (aufgerufen am 6. Februar 2012)
10. Gary Shiu, Bret Underwood: Observing the Geometry of Warped Compactification via Cosmic Inflation. in: Physical Review Letters. New York 98,2007,5 (051301). ISSN 0031-9007 doi:10.1103/PhysRevLett.98.051301
11. 2011 Planck Conference. Abgerufen am 22. März 2013.
12. Planck Legacy Archive. European Space Agency, abgerufen am 30. Dezember 2020.
13. ESA: Planck Published Papers. 21. März 2013, abgerufen am 23. Dezember 2016.
14. Wesentliche Ergebnisse vom 21. März 2013 ( nach Spiegel.online/Wissenschaft ), abgerufen am 22. März 2013.
15. Christopher Crockett: Milky Way's magnetic field mapped. In: Science News. 9. Mai 2014, abgerufen am 10. Mai 2014.
16. Siehe Tabelle 9 in Planck Collaboration: I. Overview of products and scientific results. In: Planck 2013 Results Papers. 2013 (eprint:1303.5062– class=astro-ph.CO).
17. Planck 2015 and 2013 Results Papers. European Space Agency, abgerufen am 23. Dezember 2016.
18. Planck Collaboration: XVI. Cosmological parameters. In: Planck 2013 Results Papers. 2013 (eprint: 1303.5076 – class=astro-ph.CO).
19. Planck Mission Brings Universe Into Sharp Focus. Jet Propulsion Laboratory, 21. März 2013, abgerufen am 21. März 2013.
20. Planck reveals an almost perfect Universe. European Space Agency, 21. März 2013, abgerufen am 21. März 2013.
21. D. Overbye: Universe as an Infant: Fatter Than Expected and Kind of Lumpy. The New York Times, 21. März 2013, abgerufen am 21. März 2013.

Satelliten und Raumsonden mit Beteiligung der ESA

Erfolgte Starts:	COS-B (1975) • GEOS 1 und 2 (1977, 1978) • OTS-1 und -2 (1977, 1978) • ISEE 2 (1977) • Meteosat (1977–1997) • IUE (1978) • Marecs A und B (1981, 1984) • Exosat (1983) • ECS (1983–1988) • Giotto (1985) • Olympus (1989) • Hipparcos (1989) • Hubble (1990) • Ulysses (1990–2009) • ERS 1 und 2 (1991, 1995) • EURECA (1992) • ISO (1995) • SOHO (1995) • EGNOS (1996–2014) • Huygens (1997) • XMM-Newton (1999) • Cluster (2000) • Artemis (2001) • Proba-1 (2001) • Envisat (2002) • MSG-1, -2, -3, -4 (2002, 2005, 2012, 2015) • Integral (2002) • Mars Express (2003) • Smart-1 (2003) • Double Star (2003) • Rosetta (2004) • CryoSat (2005) • SSETI Express (2005) • Venus Express (2005) • Galileo (2005–2024) • MetOp-A, -B und -C (2006, 2012, 2018) • Corot (2006) • GOCE (2009) • Herschel (2009) • Planck (2009) • Proba-2 (2009) • SMOS (2009) • CryoSat-2 (2010) • Hylas (2010) • Alphasat I-XL (2013) • Proba-V (2013) • Swarm (2013) • Gaia (2013) • Sentinel-1A/1B (2014, 2016) • Sentinel-2A/2B (2015, 2017) • LISA Pathfinder (2015) • Sentinel-3A/3B (2016, 2018) • ExoMars Trace Gas Orbiter (2016) • Schiaparelli (2016) • Sentinel-5P (2017) • ADM-Aeolus (2018) • BepiColombo (2018) • Cheops (2019) • Solar Orbiter (2020) • Phi-Sat-1 (2020) • Sentinel-6A (2020) • JWST (2021) • MTG-I1 (2022) • Juice (2023) • Euclid (2023) • Proba-V CC (2023) • Mantis und Intuition-1 (2023) • EarthCARE (2024) • AWS (2024) • Phi-Sat-2 (2024) • Sentinel-2C (2024) • Hera (2024)
Geplante Starts:	Galileo (2024–?) • Sentinel-1C (2024) • Proba-3 (2024) • Biomass (2025) • MTG-S1, -I2, -I3, -S2, -I4 (2025–2036) • MetOp-SG (2025–2040) • Sentinel-6B (2025) • Smile (2025) • LEO-PNT (2025–2027) • Altius (2026) • Flex (2026) • Plato (2026) • Lunar Pathfinder (2026) • Galileo 2 (2026–?) • Vigil (2027) • Forum (2027) • Genesis (2028) • ExoMars Rosalind Franklin (2028) • Ariel (2029) • Comet Interceptor (2029) • EnVision (2031–2033) • Arrakhis (2030er) • LISA (2035) • Clearspace-1 (?)