Vor fast 14 Milliarden Jahren entstand das Universum in einem Nebel aus Mysterien. Das neue Simons-Observatorium in der chilenischen Atacama-Wüste könnte bald die große wissenschaftliche Frage beantworten, was in diesem winzigen Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall geschah.
Das Simons Observatory besteht aus einem Teleskop mit großer Öffnung und drei kleineren Teleskopen mit Öffnungen von etwa einem halben Meter – „sehr menschengroß“, sagte Michael Niemack, Professor für Physik und Astronomie am College of Arts and Sciences, der das Cornell-Team in der Zusammenarbeit mehrerer Institutionen leitet. Zwei der Teleskope mit kleiner Öffnung haben ihre ersten Tests abgeschlossen und die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen haben begonnen, was einen wichtigen Meilenstein in dem zehnjährigen Projekt darstellt.
Das Teleskop mit der großen Apertur wird, wenn es in Betrieb geht, die besten Messungen der Hubble-Konstante liefern und helfen zu erklären, warum und wie sich das Universum gegenwärtig ausdehnt, während die drei Teleskope mit der kleinen Apertur Licht auf die anfängliche Inflation des Universums werfen werden.
Das Teleskop mit großer Apertur, so Niemack, sei dem Fred Young Submillimeter Telescope (FYST) ähnlich, an dem er ebenfalls arbeitet und das Cornell und seine Partner in Chile bauen, mit der Ausnahme, dass das Teleskop des Simons Observatory für den Betrieb bei längeren Wellenlängen ausgelegt sei als das FYST.
„Die Teleskope des Simons Observatory können Signale der möglichen exponentiellen Expansion messen, die unserer Meinung nach einen Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall auftrat“, sagte Niemack. Diese Signale sind Schwankungen in der Polarisation der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB), die durch Gravitationswellen verursacht werden, die unmittelbar nach dem Urknall erzeugt wurden.
„Diese Teleskope verwenden einige der fortschrittlichsten Detektoranordnungen für die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung, die je gebaut wurden“, sagte er.
Der Beginn der wissenschaftlichen Beobachtungen war ein aufregender Moment für Niemacks Team, das derzeit aus vier Studenten, sieben Doktoranden, drei Postdoktoranden und einem Freiwilligen einer örtlichen High School besteht. Das Team hat im Rahmen der Zusammenarbeit unter der Leitung des leitenden Forschers Brian Keating von der University of California in San Diego jahrelang an der Gestaltung der Detektoranordnung gearbeitet und jedes der Subsysteme des Teleskops implementiert und getestet.
„Wir hoffen, mit diesen Teleskopen Entdeckungen zu machen, aber wir wissen noch nicht genau, was wir über das Universum und seine frühesten Galaxien und Galaxienhaufen erfahren werden, wenn diese neuen Teleskope in Betrieb gehen“, sagte Doktorand Zachary Huber. „Ich bin gespannt auf diese Entdeckungen, ob sie nun die sind, die wir erwartet haben oder nicht.“
In jedem der kleinen Aperturteleskope gibt es sieben Detektorarrays, die sechseckig angeordnet sind, wobei sich eines in der Mitte befindet und von den anderen sechs umgeben ist. Jedes dieser Arrays enthält fast 2.000 Detektoren.
„Die Detektoren müssen auf sehr niedrige Temperaturen gekühlt werden – minus 273 Grad Celsius oder etwa ein Zehntel Grad über dem absoluten Nullpunkt –, um sie extrem empfindlich auf die winzigen Änderungen in der Intensität des Lichts aus dem frühen Universum zu machen, die wir mit unseren Teleskopen messen“, sagte Niemack.
Das Detektorarray ist sehr komplex, sagte Niemack. Optische Komponenten sammeln das Licht; kleine Antennen messen die beiden unterschiedlichen linearen Polarisationen des Lichts hinter jeder der optischen Komponenten. Nano-gefertigte Strukturen leiten das Licht durch Schaltkreise im Detektorarray und wandeln es dann in Wärme um, die mit supraleitenden Übergangskantensensoren gemessen werden kann, die am supraleitenden Übergangspunkt arbeiten und sich daher als äußerst empfindliche Thermometer verwenden lassen.
Doktorand Ben Keller übernahm neben seiner Arbeit beim Testen von Teilen der Detektor-Arrays für das Teleskop und der Charakterisierung der Leistung der Detektoren auch noch eine besonders nervenaufreibende Aufgabe: Er war einer der Mitarbeiter, die die Detektor-Arrays persönlich von den USA nach Chile transportieren mussten.
„Da jedes Array Hunderttausende von Dollar kostet und extrem zerbrechlich ist, war der Transport durch vier Flughäfen eine große Herausforderung“, sagte Keller. „Natürlich mussten wir bei der Installation am Teleskop noch vorsichtiger sein.“
Das Simons-Observatorium liegt 5.117 Meter über dem Cerro Toco in den Anden, was die Arbeit anspruchsvoll macht und die Gabe von Sauerstoff erfordert.
„Die Arbeit in dieser Höhe war sehr anstrengend“, sagte Keller. „Die Luft ist dünn und die Sonne ist wirklich intensiv. An meinem ersten Tag dort habe ich mir durch zwei Lagen Kleidung einen Sonnenbrand geholt.“
Huber war letztes Jahr mit zwei seiner Mitarbeiter von der Yale University in Chile und installierte dort mehrere Computer, Netzwerkgeräte, ein riesiges Speicherlaufwerk und andere Computerinfrastruktur, die die von den Teleskopen eingehenden Daten verarbeiten und speichern wird.
„Ein Grund für die Teilnahme an dieser besonderen Reise war, dass wir letztendlich sehr ähnliche Geräte für FYST beschaffen und installieren müssen“, sagte Huber, der im vergangenen Jahr daran gearbeitet hat.
Selbst wenn alle vier Teleskope des Simons Observatory aktiv wissenschaftlich genutzt werden, ist die Forschung und Entwicklung der Instrumente für Niemack und sein Team noch nicht beendet. Das Simons Observatory hat bereits mit dem Bau weiterer Detektoren und Optiken für das Teleskop mit großer Apertur sowie mit Solarmodulen zur Stromversorgung des Observatoriums begonnen.