Ein Gemeinschaftsprojekt, das den Kosmos von seiner isolierten Position in der Antarktis aus untersucht, zielt darauf ab, Einblicke in die Anfänge des Universums zu gewinnen.
Im Sommer am Südpol, der von November bis Februar dauert, liegt die Durchschnittstemperatur bei beißenden minus 18 Grad Fahrenheit. Die Sonne geht während dieser Zeit nicht unter, was den Schlaf zu einer Herausforderung macht. Die Umgebung ist rau und trocken. Und die Internetverbindung an der Amundsen-Scott-Südpolstation ist, wenn Sie darauf zugreifen können, quälend langsam.
Andererseits gibt es nur wenige Ablenkungen von der Arbeit und die Landschaft ist atemberaubend. Die Mahlzeiten aus der hauseigenen Küche sind großartig. Der beste Teil? Es gibt einen unvergleichlichen Blick auf das frühe Universum.
Das älteste Licht im Universum sehen
Diese Ansicht, die vom South Pole Telescope (SPT) der Forschungsstation kommt, ist nicht das, was sich viele von uns vorstellen würden, wenn sie in den Himmel schauen. Anstelle von Sternen und Planeten sehen die Bilder des SPT eher wie ein Gemälde von Jackson Pollock aus. Sie erfassen Daten über den Ursprung des Universums und seine Entwicklung über Milliarden von Jahren.
Seit das SPT 2007 seinen Betrieb aufnahm, hat es Forschern geholfen, über 1.000 riesige Galaxienhaufen (darunter einige wirklich außergewöhnliche) zu entdecken, und unter anderem unser Verständnis der Zeit verändert, als die ersten Sterne entstanden. Mehr als 20 Universitäten und Forschungseinrichtungen des US-Energieministeriums (DOE), darunter das Argonne National Laboratory, arbeiten bei diesen Bemühungen zusammen.
Das 33-Fuß-Teleskop verwendet Detektoren, die in Argonne entwickelt und gebaut wurden, um den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) zu untersuchen. Das CMB besteht aus Licht, das produziert wurde, als das Universum etwa 380.000 Jahre alt war. Damals war das Babyuniversum ein äußerst heißes Plasma, und das von ihm erzeugte Leuchten wandert seit etwa 14 Milliarden Jahren durch den Weltraum.
„Die Betrachtung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, die Darstellung unseres frühen Universums und die Verbindung mit den Beobachtungen, die wir heute sehen, bildet eine der wichtigsten Grundpfeiler unseres kosmologischen Modells“, sagte Lindsey Bleem, Physikerin bei Argonne, die Daten von sammelt und analysiert SPT.
Die Antarktis ist einer der besten Orte der Welt, um dieses schwache Signal zu erkennen, da sie im Wesentlichen eine gefrorene Wüste und sehr trocken ist. Wasser in der Luft kann bei einem Blick in den Himmel mit einem Teleskop „Rauschen“ erzeugen, erklärte Bleem, wodurch das Bild weniger klar wird. Die Umgebung des SPT ist auf der Erde so störungsfrei wie möglich.
Zum größten Teil können Wissenschaftler die Daten des SPT von Argonne in Illinois oder von jedem anderen Ort aus, der für den Fernzugriff auf die Daten eingerichtet ist, sammeln und damit arbeiten. Aber gelegentlich erfordern Wartungsarbeiten und Upgrades wie eine 2017 installierte Kamera der dritten Generation Reisen zu dieser Einrichtung inmitten einer gefrorenen Wüste.
Ob es darum geht, mit der zähneklappernden Kälte fertig zu werden, auf den Eingang von Vorräten zu warten oder sicherzustellen, dass die Ausrüstung gewartet und wetterbeständig ist, der abgelegene Standort kann entmutigend sein. Allein der Mangel an Feuchtigkeit ist „etwas, das eine Herausforderung darstellt und auch den Alltag beeinträchtigen kann“, sagte Clarence Chang, ein Argonne-Physiker, der supraleitende Detektoren für das SPT entwickelt.
Ein Vorteil: Während der Sommersaison des Teleskops stellen die Köche des Teleskops Mahlzeiten für Gastforscher bereit, und „das Essen ist absolut fantastisch“, sagte Bleem.
Superempfindliche, supraleitende Detektoren
Das Upgrade der SPT-Kamera im Jahr 2017 brachte es von 1.600 auf 16.000 Detektoren. Zusammengenommen ähneln die Detektoren einer Wabe mit einem Durchmesser von etwa 17 Zoll. Die Detektoren werden weit kälter gehalten als selbst die kälteste antarktische Nacht, knapp über dem absoluten Nullpunkt oder minus 459 F. Die Temperatur, kombiniert mit der Empfindlichkeit ihrer supraleitenden Materialien, hilft ihnen, das sehr schwache Licht des CMB zu registrieren.
Die Forscher nutzten das Argonne Center for Nanoscale Materials, eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, um die Detektoren herzustellen. Die Ausstattung der Anlage ermöglicht es, supraleitende Materialien zu kontrollieren und konstant zu verarbeiten.
Eines der Forschungsziele der CMB-Beobachtungen ist die Erforschung einer Theorie, die als kosmische Inflation bekannt ist, die Idee, dass das frühe Universum eine massive, unvorstellbar schnelle Expansion durchgemacht hat. Diese Theorie ist mit Vorhersagen bestimmter Muster im CMB verbunden.
„Diese Vorhersagen sind extrem schwer zu messen. Die Signale sind sehr schwach, was den Bau unglaublich empfindlicher Instrumente erfordert“, sagte Chang.
Das SPT begann 2018 mit der neuen Kamera eine sechsjährige Untersuchung. Das verbesserte Detektorarray in Kombination mit jahrelanger Beobachtung ist ein bisschen so, als würde man eine Langzeitbelichtung auf der neuesten und besten Smartphone-Kamera einstellen, um nachts ein detailliertes Bild aufzunehmen.
„Es läuft und sammelt die Daten für uns“, sagte Amy Bender, eine Argonne-Physikerin, die bei der Installation der Kamera der dritten Generation half. „Wir beobachten jeden Tag, den ganzen Tag dasselbe Stück Himmel. Je öfter wir es beobachten, desto besser können wir schwächere Signale erkennen.“
Wenn der Lauf des SPT im Jahr 2024 endet, werden die Wissenschaftler nicht nur damit beschäftigt sein, die resultierenden Daten zu analysieren, sondern auch an weiteren Upgrades des SPT arbeiten.
Die Fähigkeit von Argonne, hochempfindliche Teleskopdetektoren zuverlässig herzustellen, wird auch für ein neues, ehrgeiziges Experiment von entscheidender Bedeutung sein: CMB-S4. In diesem Experiment, einer Zusammenarbeit von Argonne und Dutzenden von Institutionen weltweit, werden 21 Teleskope am Südpol und in der chilenischen Atacama-Wüste ab Ende des Jahrzehnts sieben Jahre lang den Himmel vermessen. Die Zahl der eingesetzten Detektoren wird auf 500.000 steigen, und einige davon werden in Argonne hergestellt.
Knirschen der extragalaktischen Zahlen
Simulationen, die auf Hochleistungscomputern in der Argonne Leadership Computing Facility, ebenfalls eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, ausgeführt werden, sind der Schlüssel zur Entschlüsselung von Beobachtungen des SPT. Wissenschaftler nutzen diese Rechenleistung, um Theorien darüber zu korrelieren, wie Materie und Kräfte im Universum interagieren. Ein Galaxienhaufen in der Sichtlinie des Teleskops beispielsweise verzerrt das Hintergrundlicht von anderen Galaxien und dem CMB. Dieser Effekt muss gemessen und mit theoretischen Vorhersagen korreliert werden.
Um zu erklären, wie Simulationen Beobachtungen unterstützen, gab Bleem ein Beispiel: Nehmen wir an, Sie hätten ein Bild des Eiffelturms ohne Daten darüber, wie hoch das Bauwerk ist. Sie könnten die bekannte Messung eines Objekts in der Nähe, z. B. einer auf dem Boden stehenden Person, verwenden, um seine Abmessungen zu ermitteln. In ähnlicher Weise helfen Computer dabei, die Lücke zwischen dem, was wir wissen, und dem, was wir entdecken wollen, zu schließen, indem sie uns sowohl ein Verständnis dieser komplizierten Prozesse vermitteln als auch uns ermöglichen zu beurteilen, wie gut unsere Analysewerkzeuge Modelle dieser Phänomene rekonstruieren können.
Mit dem aktualisierten SPT und dem bevorstehenden CMB-S4-Projekt generieren Wissenschaftler weiterhin mehr Beobachtungsdaten. Die Computerressourcen von Argonne halten Schritt, bemerkte JD Emberson, ein Computerwissenschaftler bei Argonne.
„Die ersten Kosmologie-Codes simulierten nur die Schwerkraft“, sagte Emberson. „Aber da wir immer bessere und größere Teleskope bekommen, die mehr Informationen im Universum sammeln können, ist es wichtig, dass wir die Fähigkeit haben, mehr als nur die Schwerkraft zu simulieren.“
Emberson arbeitet am Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC), dem Framework, mit dem kosmologische Simulationen für das SPT und andere Teleskope ausgeführt werden. Seine Arbeit, die Teil des von Argonne geleiteten ExaSky-Projekts ist, bereitet HACC für Exascale-Computer wie Aurora vor, die sich gut für kosmologische Simulationen im extremen Maßstab eignen werden.
„Während Wissenschaftler Instrumente der nächsten Generation bauen, wollen wir in der Lage sein, die Computer der nächsten Generation so voranzutreiben, dass sie dem entsprechen“, sagte Emberson.
Sowohl der Computer als auch die fortschrittlichen Detektoren, die bei Argonne entwickelt werden, dienen der Erforschung des Kosmos durch das SPT. Sie sind aber auch für eine Reihe anderer Technologien hier auf der Erde relevant, beispielsweise für Gesundheits- und Sicherheitsscreenings.
„Kein Unternehmen stellt heute solche Geräte her“, sagte Bender. „Also führen wir die Front an, um die Technologie dafür voranzutreiben. Wer weiß, welche Türen sich für andere Bereiche öffnen könnten?“