WMAP maß den kosmischen Hintergrund durch den Vergleich zweier Himmelsregionen

Die Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) war eine NASA-Sonde, die kleine Temperaturunterschiede in der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung messen sollte. Diese Strahlung erfüllt den Himmel und wurde etwa 375.000 Jahre nach der Entstehung des Universums freigesetzt. Ihre Schwankungen enthalten trotz ihrer geringen Größe Informationen über die Bedingungen im frühen Kosmos und über die Urstruktur, aus der sich Galaxien bildeten.

Die instrumentelle Herausforderung bestand darin, diese schwachen Signale zu unterscheiden und eine Karte des gesamten Himmels zu erstellen. WMAPs Lösung bestand nicht darin, einzelne Messungen der absoluten Temperatur vorzunehmen: Das Instrument verglich Himmelsregionen, beobachtete bei mehreren Frequenzen und tastete wiederholt verschiedene Richtungen ab. Die NASA schreibt den Messungen Informationen über Größe, Alter, Geometrie und Materiegehalt des Universums zu. Dabei handelt es sich um aus den Beobachtungen abgeleitete kosmologische Ergebnisse, die nicht mit den physikalischen Eigenschaften des Instruments verwechselt werden sollten.

Ein uraltes Signal mit winzigen Unterschieden

In diesem Zusammenhang ist die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung die älteste von WMAP beobachtete Strahlung. Die Sonde kartierte Temperaturunterschiede je nach Himmelsrichtung, sogenannte Anisotropien. Um ihre Größenordnung zu verdeutlichen, nennt die NASA eine Region mit einer Temperatur von 2,7251 K und eine andere mit 2,7249 K. Der Unterschied ist gering, aber seine Verteilung ermöglicht Rückschlüsse auf die Bedingungen im frühen Universum.

Der Mission ging ein Vorgänger voraus: 1992 entdeckte der Satellit Cosmic Background Explorer (COBE) Temperaturunterschiede auf großen Winkelskalen. Laut NASA maß WMAP diese Anisotropien detaillierter und empfindlicher als COBE. Das Team erstellte die erste Himmelskarte der Mikrowellenhintergrundstrahlung mit einer Auflösung von 0,2 Grad, auf der die winzigen Schwankungen der Strahlung dargestellt wurden.

Zwei Regionen vergleichen, statt eine absolute Temperatur zu messen

WMAP war ein Differenzexperiment: Es maß den Temperaturunterschied zwischen zwei Punkten am Himmel, anstatt die absolute Temperatur jedes Punktes getrennt zu bestimmen. Dabei werden zwei Signale direkt miteinander verglichen. So konnte das Instrument nach Unterschieden zwischen Regionen suchen und Vergleiche vieler Bereiche in der vollständigen Karte zusammenführen.

Das Instrument verwendete passiv gekühlte Mikrowellenradiometer, die über Metallbänder mit Radiatorplatten verbunden waren. Außerdem beobachtete es in fünf Frequenzbändern von 22 bis 90 GHz. Nach Angaben der NASA wurde diese Abdeckung so ausgelegt, dass sich galaktische Vordergrundsignale leichter von der kosmischen Hintergrundstrahlung trennen ließen. Die Bänder halfen also, Emissionen zu unterscheiden, die sich bei Himmelsbeobachtungen überlagern.

Die Messung äußerst kleiner Temperaturunterschiede erforderte besondere Aufmerksamkeit für mögliche systematische Fehler. Deshalb vereinte das Design den Differenzvergleich, mehrere Frequenzen und das Wärmemanagement des Observatoriums. Die NASA beschreibt diese Elemente als instrumentelle Entscheidungen, die eine präzise Messung des Mikrowellenhimmels ermöglichten.

Die Umlaufbahn und das Abtastmuster

WMAP wurde am 30. Juni 2001 auf eine mondunterstützte Flugbahn zum L2-Punkt gebracht. Dieser Lagrange-Punkt des Systems Sonne–Erde liegt laut NASA eine Million Meilen von der Erde entfernt. Die Sonde umkreiste diese Region. Die NASA beschreibt L2 als thermisch stabile Umgebung und erklärt, dass die Anordnung eine Beobachtungseffizienz von nahezu 100 % ermöglichte, wobei Sonne, Erde und Mond hinter dem Sichtfeld des Instruments lagen.

Die Sonde hielt das Instrument ständig im Schatten von Sonne, Erde und Mond, um thermische Störungen zu verringern. Die Beobachtungsstrategie kombinierte eine schnelle Drehung um die Symmetrieachse der Sonde mit einer langsamen Präzession von 22,5° um die Linie Sonne–WMAP. Jede Sichtlinie des Teleskops lag etwa 70° von der Achse entfernt. Laut der Beschreibung der NASA ergab diese Bewegung ein Muster, das den nördlichen und südlichen Ekliptikpol erreichte und den Vergleich zahlreicher Himmelspixel im Laufe der Zeit ermöglichte.

Von den Beobachtungen zu den Eigenschaften des Universums

Die von WMAP erfassten Unterschiede halfen bei der Untersuchung von Größe, Materiegehalt, Alter und Geometrie des Universums sowie der Urstruktur, aus der später Galaxien entstanden. Die NASA schreibt der Mission eine Schätzung des Universumsalters von 13,77 Milliarden Jahren mit einer Unsicherheit von einem halben Prozentpunkt zu. Diese Zahl ist eine auf den Messungen beruhende kosmologische Schlussfolgerung und kein direktes Ablesen einer Uhr an Bord.

Der ursprüngliche Plan sah eine nominelle Missionsdauer von 27 Monaten vor: drei Monate für den Flug zum L2-Punkt und 24 Monate für Beobachtungen. Die Mission wurde verlängert, um weitere Daten zu sammeln. Der Betrieb endete 2010, die Datenanalyse 2013. Damit dauerte die wissenschaftliche Kampagne länger als ursprünglich geplant, während die anschließende Datenverarbeitung nach dem Ende des Betriebs weiterging.

Welche Schlussfolgerungen die Karte ermöglicht

WMAP zeigt, wie eine Sonde winzige Unterschiede in ein Werkzeug zur Erforschung des Kosmos verwandeln kann. Differenzmessung, fünf Frequenzbänder, die Kontrolle thermischer Störungen und die Abtastung des gesamten Himmels waren Teil der Methode. Die resultierende Karte ermöglichte es, kosmologische Eigenschaften anhand der Verteilung der alten Strahlung zu untersuchen; die von der NASA angegebene Altersschätzung wird beispielsweise mit einer geschätzten Genauigkeit von einem halben Prozentpunkt angegeben.

Die von der NASA beschriebenen Befunde beziehen sich auf WMAPs Messungen und auf die Eigenschaften, die das Team daraus ableitete. Die Schwankungen des kosmischen Hintergrunds sind das beobachtete Signal; Alter, Geometrie und Inhalt des Universums sind kosmologische Deutungen, die auf diesem Signal beruhen. Diese Unterscheidung hilft, sowohl die Aussagekraft der Karte als auch die Rolle der Designentscheidungen zu verstehen, die ihre Erstellung ermöglichten.