Forscher an der UC San Diego haben eine neue Methode entwickelt, um die Kalibrierung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds zu prüfen. Ziel ist es herauszufinden, ob eine mögliche Drehung des ältesten Lichts der Diktat neuer Physik entspringt oder lediglich auf winzigen Instrumentenfehlern beruht.
Der kosmische Mikrowellenhintergrund, oft als Nachhall des Urknalls bezeichnet, liefert Forschern ein detailliertes Abbild des jungen Kosmos rund 380.000 Jahre nach der Entstehung des Universums. Maps of the CMB offer a picture of the “baby universe” as it was 13.8 billion years ago. Vor etwa 380.000 Jahren streuten freie Elektronen die dortige Strahlung, wodurch eine schwache lineare Polarisation entstand. Datenanalysen der vergangenen Jahre gaben Hinweise darauf, dass diese Polarisationsmuster während ihrer langen Reise durch den Kosmos minimal rotiert sein könnten.
Dieses Phänomen wird als kosmische Doppelbrechung bezeichnet und weckt großes Interesse in der Wissenschaftsgemeinde. Sollte sich die Drehung bestätigen, könnte dies als Indiz für physikalische Gesetze jenseits des Standardmodells dienen und neue Wege zum Verständnis von dunkler Materie und dunkler Energie öffnen.
Das Problem der Detektorkalibrierung bei Planck-Satellitendaten
Das Hauptproblem bei der Suche nach dieser kosmischen Drehung liegt in der Messgenauigkeit selbst. Bereits kleinste Fehljustierungen in der Ausrichtung der polarisationsempfindlichen Detektoren an Bord eines Teleskops erzeugen exakt denselben optischen Effekt. Aus den reinen Daten des Mikrowellenhintergrunds lässt sich eine globale kosmische Rotation daher bisher kaum von einem simplen Apparatefehler unterscheiden.
Um diese Unklarheit zu beseitigen, erarbeitete ein Team der University of California San Diego (UC San Diego) rund um Postdoctoral Fellow Anto I. Lonappan, Chancellor’s Distinguished Professor of Physics Brian Keating und Associate Professor of Physics Kam Arnold ein alternatives Schätzverfahren. The study, led by Postdoctoral Fellow Anto I. Lonappan, Chancellor’s Distinguished Professor of Physics Brian Keating and Associate Professor of Physics Kam Arnold, appears in the Astrophysical Journal Letters. Die Wissenschaftler testeten ihren Ansatz an bestehenden Beobachtungsdaten des Satelliten Planck, genauer gesagt an acht NPIPE-Polarisationskarten bei den Frequenzen 100, 143, 217 und 353 Gigahertz. Für den Test nutzten die Forscher acht NPIPE-Polarisationskarten des Planck-Satelliten bei 100, 143, 217 und 353 Gigahertz. Aus diesen Karten erzeugten sie insgesamt 28 Kartenpaare, um die relativen Winkelunterschiede der Detektoren zu untersuchen. Daraus entstehen 28 Kartenpaare.
Das Signal, nach dem wir suchen, ist unglaublich klein, deshalb müssen wir sicher sein, dass wir das Universum sehen und nicht unser Instrument. Unsere Methode gibt uns eine ergänzende Möglichkeit, diese Unterscheidung zu überprüfen. Anto I. Lonappan, Postdoktorand an der UC San Diego
Anto I. Lonappan
Konsistente Muster im Vergleich zur Minami-Komatsu-Auswertung
Die neue Methode schließt den universellen Nullpunkt absichtlich aus. Wenn Forscher Karten vergleichen, hebt sich eine globale Rotation auf, sodass lediglich die Abweichungen in der Kalibrierung übrig bleiben. Dieses relative Muster glichen die Physiker mit der etablierten Minami-Komatsu-Analyse ab. Die neue Methode prüft deshalb vor allem, ob die detektorabhängigen Winkel aus der etablierten Analyse auch ohne deren absolute Vordergrundverankerung in den Polarisationsdaten wiederauftauchen.
Beide Ansätze lieferten ein konsistentes Ergebnis. Der statistische Vergleich ergab einen Wert von χ² = 8,18 bei sieben Freiheitsgraden. Unter der Annahme, dass beide Rekonstruktionen dasselbe Kalibriermuster beschreiben, liegt die Wahrscheinlichkeit für eine mindestens so große Abweichung bei 32 Prozent. Auch die größten Abweichungen einzelner Karten bleiben unter 1,8 Standardabweichungen.
Dennoch stellt diese Auswertung keine eigenständige Bestätigung der kosmischen Doppelbrechung dar, da beide Methoden auf denselben Planck-Datensätzen basieren. Um einen absoluten Drehwinkel zu ermitteln, koppelten die Forscher ihr relatives Kalibriermuster als Demonstration an die etablierte Auswertung. Unter dieser Bedingung rekonstruierten sie einen Drehwinkel von 0,37 ± 0,12 Grad. Unter dieser Bedingung rekonstruieren sie einen Drehwinkel β von 0,37 ± 0,12 Grad. Der Wert stimmt mit der Minami-Komatsu-Auswertung überein, ist aber ausdrücklich keine unabhängige absolute Messung.
Bedeutung für die Suche nach primordialen B-Moden
Künftige Instrumente zur Erforschung des frühen Universums müssen strenge Kalibrierungsstandards erfüllen. Winzige Winkelfehler können E-Moden der Polarisation in scheinbare B-Moden umwandeln, was die Suche nach den Spuren früher Gravitationswellen erschwert. Gerade bei der Suche nach primordialen B-Moden, die Spuren früher Gravitationswellen und damit der kosmischen Inflation tragen könnten, werden unabhängige Kalibrierchecks deshalb immer wichtiger. Solche primordialen B-Moden gelten als potenzieller Beleg für die kosmische Inflation.
„Der Nachweis primordialer B-Moden würde unser Verständnis des frühen Universums verändern, deshalb müssen die Messung strenge Kalibrierungsprüfungen bestehen. Anto hat einen nützlichen neuen Rahmen entwickelt, um die relative Kalibrierung der Polarisationswinkel zu testen. Letztlich geht es darum zu wissen, wann wir einer Messung vertrauen können, sagt Prof. Brian Keating von der University of California San Diego (UC San Diego).
Prof. Brian Keating
Das Team empfiehlt, den neuartigen Differentialtest künftig parallel zu weiteren Messungen einzusetzen. Die Autoren empfehlen, den neuen Differentialtest künftig parallel zu Messungen der kosmischen Doppelbrechung auszuführen. Er könnte dann auffällige relative Winkelabweichungen einzelner Detektorkartierungen rechtzeitig aufdecken, bevor physikalische Interpretationen auf fehlerhaften Instrumentenparametern beruhen.
