Planck

Planck was een Europese ruimtesonde voor het onderzoek van de kosmische achtergrondstraling. Dit ruimtetuig werd in mei 2009 in de ruimte gebracht en is genoemd naar de Duitse natuurkundige Max Planck (1858 – 1947, Nobelprijs natuurkunde in 1918 voor zijn kwantumtheorie).

Planning, lancering en baan

De initiële voorstellen voor een missie zoals Planck zagen voor 1993 het licht. Toen ging het nog om de twee satellieten COBRAS en SAMBA. Ze werden in 1993 samengevoegd in één missie, die pas in 1996 de naam Planck kreeg. Het Science Programme Committee (SPC) keurde op 17 februari 1999 de missie goed. De twee voorlopers zijn qua technologie en beoogde frequenties min of meer terug te vinden in de twee instrumenten van Planck. Het ontwerp, de ontwikkeling en assemblage liep van 1996 tot 2007. Daarna werd alles getest tot februari 2009. Belangrijke testen werden uitgevoerd in april 2008 in de Large Space Simulator bij ESTEC in Nederland. Daarna volgde een Belgisch hoofdstuk. Voor het eerst werd een volledige ESA-satelliet getest in het Centre Spatial de Liège (CSL). Van juni tot november 2008 werden de telescoop en de sensoren er bij zeer lage druk aan zeer lage temperaturen blootgesteld, om te kijken of die de omstandigheden in de ruimte konden weerstaan en de gewenste resultaten konden opleveren. Deze omstandigheden werden nagebootst in de FOCAL-5-kamer. De Planck Scientific Collaboration bestond uit alle wetenschappers die hem ontwikkelden en zij die hem wetenschappelijk uitbaatten. De wetenschappers van de PSC zijn lid van minstens één van de vier consortia: het LFI Consortium, het HFI Consortium, het DK-Planck Consortium en ESA’s Planck Science Office. De twee Europese datacenters bevinden zich in Parijs en Trieste.

De ruimtetelescoop werd samen met de Herschel Space Observatory (onderzoek van sterren en sterrenstelsels, zie Guidestar januari 2014) gelanceerd. De ESA voerde die lancering op 14 mei 2009 uit met een Ariane 5 die vanaf Kourou vertrok. Planck bevond zich in een baan om het tweede Lagrangepunt vanaf 3 juli 2009. Omdat een positie op het punt L2 zelf niet stabiel is, werd een baan rond L2 gebruikt, die ook nog af en toe moet bijgestuurd worden. Deze baan heeft een straal van 400 000 km, waardoor Planck ook nooit in de aardschaduw kon komen, belangrijk voor de energievoorziening.

De Planck missie had een aantal objectieven waaronder:

1. vragen beantwoorden in verband met de kosmische achtergrondstraling (in het Engels Cosmic Microwave Background of CMB),
2. een catalogus opbouwen van clusters van sterrenstelsels,
3. gravitatielenzen observeren die de achtergrondstraling vervormen,
4. onderzoek van het magnetisch veld en de interstellaire materie van het Melkwegstelsel,
5. de studie van het zonnestelsel (planeten, planetoïden, kometen en zodiakaal licht).

In de CMB komen kleine temperatuurverschillen voor die overeenkomen met gebieden die bij het ontstaan van het heelal een licht andere dichtheid hadden dan de omringende gebieden. Die kleine verschillen zijn volgens theoretici in het huidige heelal uitgegroeid tot sterren en sterrenstelsels. Ze zouden ontstaan zijn toen het heelal een leeftijd had van 10−30 seconden. Deze verschillen, ook rimpelingen of fluctuaties genoemd, bleven bewaard in het beeld van de kosmische achtergrondstraling dat kan gemaakt worden van toen het heelal een leeftijd had van ongeveer 380 000 jaar of met andere woorden van vlak na het recombinatietijdperk. In dat tijdperk combineerden protonen en elektronen zich tot waterstofatomen. Daardoor werd het heelal transparant en kon licht door de ruimte reizen, daarvoor was dat niet mogelijk. Door de uitdijing van het heelal is dat oorspronkelijke licht uitgerokken tot microgolven met een temperatuur van ongeveer 3 kelvin. Planck kreeg, omdat hij zo ver in de tijd terug keek, de bijnaam ‘ESA’s tijdmachine’.

De kost van deze derde Medium-Sized Mission (M3) in het kader van Horizon 2000 van de ESA werd geschat op 700 miljoen euro voor de hele ruimtesonde, de (gedeelde) lancering en het beheer en gebruik van Planck. De missie werd op 15 januari 2010 voor een jaar verlengd. De eerste All-Sky Survey werd gestart op 13 augustus 2009 en bevatte de ‘first light survey’ die liep tot 27 augustus, de tweede All-Sky Survey begon op 14 februari 2010. Dan was 95% van de hemel al waargenomen en de resterende vijf percent was voltooid midden juni 2010. Het SPC van de ESA besliste in november 2010 de operationele levensduur van onder andere Planck nog eens te verlengen, tot 2012. In april 2012 volgde nog een derde verlenging.

Nog dit: de kosmische microgolf achtergrondstraling is in 1964 toevallig ontdekt door Arno Penzias en Robert Wilson. Het is de bekroning van werk dat in de jaren 1940 startte en ze kregen er in 1978 de Nobelprijs voor.

Opbouw en instrumenten

Qua structuur lijken Planck en Herschel op elkaar: ze hebben dezelfde achthoekige service module (SVM), ontworpen en gebouwd door Thales Alenia Space in Turijn. Ook de werking van de elektronica, standregeling, computers en energiesystemen is gelijk. Elk gebruiken ze zonnepanelen voor de energievoorziening. Planck is ongeveer 3,8 m hoog en 4,5 m breed. Een telescoop met een diameter van 1,5 meter zorgde voor het opvangen van de straling voor de twee instrumenten. De twee wetenschappelijke instrumenten zijn het Low Frequency Instrument (LFI) en het High Frequency Instrument (HFI). Beide instrumenten konden de intensiteit en polarisatie van de ontvangen fotonen bepalen. Het LFI verrichte waarnemingen in microgolven (30 GHz - 77 GHz). Dit gebeurde in drie frequentiebanden. De LFI kon bij een hogere temperatuur langer functioneren dan HFI, dat was tot 3 oktober 2013. Het werd uitgeschakeld op 19 oktober. Het HFI observeerde met 48 bolometrische detectoren in het verre infrarood en in microgolven (100 GHz - 857 GHz) in zes frequentiebanden. De centra van de banden lagen op 100, 143, 217, 353, 545 en 857 GHz. De eerste vier konden de polarisatie meten. De bedrijfstemperatuur van 0,1 K (−273,05°C) werd op 3 juli 2009 bereikt. Planck werd dan het koudste bekende object in het heelal genoemd. Door deze sterke afkoeling kon Planck temperatuursverschillen van een paar miljoenste graden in de ontvangen straling detecteren. De HFI raakte zoals verwacht in januari 2012 door zijn voorraad koelvloeistof en kon niet langer functioneren. Het spectrum van de kosmische achtergrondstraling heeft de grootste intensiteit op een golflengte van 160,2 GHz. Men wilde de hele hemel tweemaal scannen met elk instrument, maar de HFI voerde er vijf uit en de LFI maar liefst acht.

Planck ondergaat zijn laatste controle alvorens deze gelanceerd wordt - Foto: ESA

De industriële hoofdaannemer was Thales Alenia Space (Cannes, Frankrijk). De belangrijkste partners voor de bouw waren Thales Alenia Spazio (Turijn, Italië) voor de Service Module, Astrium (Friedrichshafen, Duitsland) voor de reflectoren en Oerlikon Space (Zürich, Zwitserland) voor de structuren. Twee grote internationale consortia, die in totaal ongeveer 50 wetenschappelijke instituten in Europa en Noord-Amerika omvatten, hebben de instrumenten ontwikkeld. Belangrijke Europese industriële bijdragen aan de ontwikkeling van deze instrumenten zijn afkomstig van Thales Alenia Space (Milaan, Italië) en Air Liquide-DTA (Grenoble, Frankrijk). De Amerikaanse bijdragen werden voor de National Aeronautics and Space Administration (NASA) uitgevoerd door het Jet Propulsion Laboratory (JPL), dat belangrijke technologie leverde voor beide instrumenten zoals bolometers voor de HFI, een koeler voor beide instrumenten en een versterker voor de LFI.

Planck werkte met zijn twee instrumenten in negen frequentiebanden terwijl de vorige missie voor dit soort onderzoek, de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP, 2001-2010), in vijf banden werkte. Deze uitbreiding moest Planck in staat stellen om vooral de modellen van de voorgrond te verbeteren, om ze beter te kunnen wegfilteren, en zo de achtergrondstraling beter te kunnen onderzoeken. De Amerikaanse WMAP werd op zijn beurt voorafgegaan door de eveneens Amerikaanse Cosmic Background Explorer (COBE, 1989 – 1993).

Resultaten

Het is moeilijk om de resultaten van Planck kort te schetsen omdat ze zo divers en verstrekkend zijn. Hoewel het globale beeld over het ontstaan van het heelal wordt bevestigd, zijn de waarnemingen zo nauwkeurig dat er ook nieuwe kenmerken zijn opgedoken die een verklaring vereisen.

• De fluctuaties op grote schaal komen niet overeen met de voorspellingen, ze zijn zwakker dan uit de kleinere fluctuaties is afgeleid. Verder is er een asymmetrie opgemerkt tussen de gemiddelde temperaturen van gebieden die diametraal tegenover elkaar liggen. Dit is in tegenspraak met het principe van isotropie, die stelt dat het heelal er in elke kijkrichting gelijkaardig moet uitzien. Een derde afwijking is een groot koud gebied, uitgestrekter dan verwacht.
• Zowel voor de anisotropie als het koud gebied waren al aanwijzingen gevonden in de gegevens van de WMAP. Ze werden echter grotendeels genegeerd omdat de kosmologische oorsprong niet zeker was. Planck heeft duidelijk aangetoond dat het niet om meetfouten gaat en dat de fenomenen echt zijn.
• Op 17 maart werden de eerste foto’s vrijegeven, met onder andere stofwolken op minder dan 500 lichtjaar van de Zon. De eerste all-sky opname werd op 5 juli 2010 vrijgegeven.
• Het jaar 2011 opende met op 11 januari de eerste wetenschappelijke resultaten in de vorm van de Early Release Compact Source Catalogue (ERCSC). Het bevat onder meer duizenden nieuwe stofrijke stervormingsgebieden en enkele van de meest massieve clusters van sterrenstelsels. Voor de catalogus is de hele hemel anderhalve maal in beeld gebracht. Planck heeft bewijzen gevonden voor het bestaan van populaties van sterrenstelsels, verhuld in dikke stofwolken, op afstanden van miljarden lichtjaren. Hun stervorming gebeurt tien tot duizend keer sneller dan in het Melkwegstelsel. Van de eerste 200 clusters van sterrenstelsels die Planck observeerde was ongeveer 10% nooit eerder gezien.
• Planck heeft voor het eerst (november 2012) het bestaan van een brug van heet gas tussen twee sterrenstelsels aangetoond. Deze materieband tussen Abell 399 en Abell 401 heeft een lengte van maar liefst 10 miljoen lichtjaar.
• Op 21 maart 2013 werd een persconferentie gehouden met als titel de ‘First cosmology results from ESA’s Planck mission’. Als zichtbaar resultaat werd dan in Parijs de kaart van de hele hemel vrijgegeven in alle frequentiebanden, er werden gedurende 15,5 maanden gegevens voor verzameld. Het suggereert dat het heelal iets ouder is dan aangenomen. Tegelijk werden 28 wetenschappelijke papers gepubliceerd.
• Enkele fundamentele karakteristieken van het heelal volgens Planck: de leeftijd van het heelal (t0) is 13,798 ± 0,037 miljard jaar. Het heelal zou bestaan uit 4,9% gewone baryonische materie (waaruit sterren en sterrenstelsels zijn opgebouwd), 26,8% donkere materie (dat alleen door zijn gravitationele invloed op de omgeving kan worden opgemerkt, een waarde die bijna een vijfde hoger is dan vroeger) en 68,3% donkere energie (deze kracht zou verantwoordelijk zijn voor de versnellende uitdijing van het heelal, hier is dus minder van dan vroeger aangenomen). De Hubbleconstante (H0) zou 67,80 ± 0,77 kilometer per seconde per megaparsec bedragen en deze waarde is ook een stuk kleiner dan vroeger (volgens de Hubble Space Telescope 72 ± 7 en volgens WMAP 70 ± 2). De ‘constante’ geeft aan wat de vluchtsnelheid is van objecten op bepaalde afstanden in het heelal. Een laatste waarde die hier wordt vermeld is de temperatuur van de achtergrondstraling: 2,7255 K. De karakteristieken hier opgesomd en nog veel meer kosmologische eigenschappen van het heelal zijn te vinden in een paper die op 16 december 2013 werd gepubliceerd (69 bladzijden)(zoek op http://arxiv.org/ naar 1303.5076). Een leuk fait divers is dat Planck op 23 juni 2009 voor waarnemers opflakkerde tot magnitude 13,9. De afstand was dan maar liefst 1,4 miljoen km.

Bovenstaande foto toont de kosmische achtergrondstraling in het heelal die in kaart werd gebracht door Planck - Foto: ESA

Einde

Het einde van HFI werd aangekondigd op 13 januari 2012. De voorraad helium-3 was op en hij kon daardoor niet meer functioneren. Er werd op dat moment gedacht dat de LFI (gekoeld door helium-4) nog maximaal negen maanden operationeel zou blijven. De koelers van de LFI functioneerden echter zo goed dat het niet nodig is geweest aan de werking van die koelers veranderingen aan te brengen. Planck werd in augustus 2013 in een andere baan gebracht dan de baan om het punt L2. Door deze andere baan om de Zon, nog verder van de Aarde dan het punt L2, zal hij minstens 200 jaar niet meer in de buurt van de Aarde komen. De instrumenten werden uiteindelijk op 19 oktober 2013 definitief uitgeschakeld. Op 21 oktober 2013 werd de ruimtesonde bevolen om resterende brandstof te verbruiken. Ook werd de ruimtesonde verder uitgeschakeld waaronder het loskoppelen van batterijen en het uitschakelen van ingebouwde beschermingsmaatregelen. Op 23 oktober 2013 werd rond 12 uur wereldtijd door projectwetenschapper Jan Tauber het commando verstuurd om de sonde helemaal uit te schakelen, na meer dan vier jaar bedrijvigheid.

Meer info

• Planck overview: http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Planck_overview
• Planck ESA website: http://sci.esa.int/planck/
• Planck Science Team Home: http://www.sciops.esa.int/index.php?project=PLANCK&page=index
• Planck foto's: http://www.esa.int/spaceinimages/Missions/Planck/(class)/image
• Planck brochure: http://esamultimedia.esa.int/docs/planck/BR275.pdf