Das Simons-Observatorium beginnt mit Messungen zur Untersuchung der Urknall-Inflation

Vor fast 14 Milliarden Jahren entstand das Universum in einem Schleier voller Geheimnisse. Das neue Simons-Observatorium in der chilenischen Atacama-Wüste könnte bald die große wissenschaftliche Frage beantworten, was im winzigen Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall geschah.

Das Simons-Observatorium besteht aus einem Teleskop mit großer Apertur und drei kleineren Teleskopen mit einer Apertur von etwa einem halben Meter, „sehr menschengroß“, sagte Michael Niemack, Professor für Physik und Astronomie am College of Arts and Sciences, das das Cornell-Team leitet in multiinstitutioneller Zusammenarbeit. Zwei der Teleskope mit kleiner Apertur haben ihre ersten Tests abgeschlossen und die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen haben begonnen, was einen wichtigen Meilenstein in dem jahrzehntelangen Projekt darstellt.

Das Teleskop mit großer Apertur wird, sobald es online geht, die besten Messungen der Hubble-Konstante liefern und dabei helfen, zu erklären, warum und wie sich das Universum derzeit ausdehnt, während die drei Teleskope mit kleiner Apertur Aufschluss über die anfängliche Inflation des Universums geben werden.

Das Teleskop mit großer Apertur, sagte Niemack, ähnelt dem Fred Young Submillimeter Telescope (FYST), an dem er ebenfalls arbeitet und das Cornell und Partner in Chile bauen, mit der Ausnahme, dass das Teleskop des Simons Observatory für den Betrieb bei längeren Wellenlängen als FYST ausgelegt ist. .

„Die Teleskope des Simons-Observatoriums können Signale einer möglichen exponentiellen Expansion messen, die unserer Meinung nach einen Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall stattfand“, sagte Niemack. Bei diesen Signalen handelt es sich um Schwankungen in der Polarisation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB), die durch Gravitationswellen verursacht werden, die unmittelbar nach dem Urknall erzeugt werden.

„Diese Teleskope verwenden einige der fortschrittlichsten Detektorarrays für den kosmischen Mikrowellenhintergrund, die jemals gebaut wurden“, sagte er.

Der Beginn der wissenschaftlichen Beobachtungen war eine aufregende Zeit für Niemacks Team, zu dem derzeit vier Studenten, sieben Doktoranden, drei Postdoktoranden und ein Freiwilliger einer örtlichen High School gehören. Das Team arbeitete jahrelang am Design des Detektor-Arrays und implementierte und testete jedes Subsystem des Teleskops im Rahmen der Zusammenarbeit unter der Leitung des Hauptforschers Brian Keating von der University of California to San Diego.

„Wir hoffen, mit diesen Teleskopen Entdeckungen zu machen, wissen aber nicht genau, was wir über das Universum und seine ersten Galaxien und Galaxienhaufen erfahren werden, wenn diese neuen Teleskope online gehen“, sagte Doktorand Zachary Huber. „Ich bin gespannt auf diese Entdeckungen, ob sie nun unseren Erwartungen entsprechen oder nicht.“

In jedem der Teleskope mit kleiner Apertur gibt es sieben Detektorarrays, die sechseckig angeordnet sind, wobei eines in der Mitte von den anderen sechs umgeben ist. Jedes dieser Netzwerke 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 –, damit sie äußerst empfindlich auf winzige Änderungen der Lichtintensität aus dem frühen Universum reagieren, die wir mit unseren Teleskopen messen.“ “, sagte Niemack.

Das Detektornetzwerk sei sehr komplex, sagte Niemack. Optische Komponenten sammeln tatsächlich Licht; Kleine Antennen messen jeweils zwei unterschiedliche lineare Polarisationen des Lichts hinter jeder der optischen Komponenten. Die nanogefertigten Strukturen übertragen Licht durch Detektorarray-Schaltkreise und wandeln dieses Licht dann in Wärme um, die mit supraleitenden Übergangskantensensoren gemessen werden kann, die am supraleitenden Übergangspunkt arbeiten, wodurch sie als äußerst empfindliche Thermometer verwendet werden können.

Doktorand Ben Keller hatte neben seiner Arbeit, Teile der Detektoranordnungen des Teleskops zu testen und die Leistung der Detektoren zu charakterisieren, auch eine besonders nervenaufreibende Aufgabe: Er gehörte zu der Gruppe, die den Detektor in der Hand tragen musste. Buchten von den Vereinigten Staaten bis Chile.

„Da jedes Array Hunderttausende Dollar kostet und äußerst zerbrechlich ist, war der Transport über vier Flughäfen sehr einschüchternd“, sagte Keller. „Natürlich mussten wir bei der Installation am Teleskop noch vorsichtiger vorgehen.“

Das Simons-Observatorium liegt auf 17.000 Fuß über dem Meeresspiegel am Cerro Toco in den Anden, was die Arbeit erschwert und den Einsatz von zusätzlichem Sauerstoff erfordert.

„Die Arbeit in dieser Höhe war sehr anstrengend“, sagte Keller. „Die Luft ist dünn und die Sonne sehr intensiv. An meinem ersten Tag dort habe ich mir durch zwei Schichten Kleidung einen Sonnenbrand zugezogen.“

Huber war letztes Jahr mit zwei seiner Mitarbeiter von der Yale University in Chile und installierte mehrere Computer, Netzwerkgeräte, ein riesiges Speicherlaufwerk und andere Computerinfrastruktur, die die Daten der Teleskope verarbeiten und speichern wird.

„Ein Teil der Motivation für diese spezielle Reise war, dass wir irgendwann sehr ähnliche Geräte für FYST beschaffen und installieren müssen“, sagte Huber, der seit einem Jahr an diesem Projekt arbeitet.

Auch wenn die vier Teleskope des Simons-Observatoriums aktiv in der Wissenschaft tätig sind, hören Niemack und sein Team mit der Forschung und Entwicklung der Instrumente nicht auf. Das Simons-Observatorium hat bereits mit dem Bau weiterer Detektoren und Optiken für das Teleskop mit großer Apertur sowie mit Solarpaneelen zur Stromversorgung des Observatoriums begonnen.