Status of BICEP Array and Integration of the 220/270 GHz Receiver

Das Universum begann als brodelnde, heiße Suppe aus Energie und Materie, die sich in einem Bruchteil einer Sekunde rasant ausdehnte, bevor sie zu dem riesigen Kosmos abkühlte, den wir heute sehen. Diese Expansion, bekannt als Inflation, hinterließ ein schwaches Nachleuchten des Lichts, das den gesamten Raum erfüllt – ein Überbleibsel, das als kosmische Mikrowellenhintergrund bezeichnet wird. Obwohl dieses Licht weitgehend gleichmäßig ist, trägt es winzige Temperaturschwankungen und eine subtile Polarisation, oder Ausrichtung, seiner Wellen in sich. Wissenschaftler glauben, dass die gewaltsamsten Momente des frühen Universums, speziell die schnelle Dehnung des Raumes, ein einzigartiges Verdrehungsmuster in diesem Licht erzeugt hätten, das als B-Modus bekannt ist. Den Nachweis dieser spezifischen Muster zu erbringen, ist eines der wichtigsten Ziele der modernen Kosmologie, da sie die Theorie der Inflation bestätigen und die Energieskala enthüllen würden, bei der das Universum geboren wurde. Das Finden dieses Signals ist jedoch vergleichbar mit dem Versuch, ein Flüstern in einem Hurrikan zu hören; das Universum ist voller anderer Quellen polarisierten Lichts, wie etwa Staub in unserer eigenen Galaxie, der das schwache kosmische Signal leicht übertönt oder nachahmen kann.

Um dieses Rätsel zu lösen, arbeitet ein Forscherteam an einem ehrgeizigen Projekt namens BICEP Array am Südpol. Dieser Standort bietet einen klaren, trockenen Blick auf den Himmel, was essenziell ist, um die schwächsten Signale zu sehen. Das Projekt nutzt eine Reihe spezialisierter Teleskope, oder Empfänger, die auf verschiedene Frequenzen des Lichts abgestimmt sind. Durch die Beobachtung des Himmels bei mehreren Frequenzen kann das Team das uralte kosmische Signal von dem Vordergrundrauschen unterscheiden, das durch galaktischen Staub verursacht wird. Die Arbeit beschreibt den aktuellen Status dieses Experiments und hebt die Fortschritte hervor, die mit zwei fertiggestellten Empfängern erzielt wurden, sowie die entscheidende Arbeit, die daran geleistet wird, einen dritten, hochfrequenten Empfänger fertigzustellen, der speziell für die Kartierung und Entfernung der Staubinterferenzen konzipiert ist.

Das Team hat bereits zwei voll funktionsfähige Empfänger eingesetzt. Einer arbeitet bei niedrigeren Frequenzen, um Synchrotronstrahlung zu verfolgen – eine Art von Licht, die von hochenergetischen Elektronen emittiert wird –, während der andere bei einer Frequenz von 150 GHz arbeitet, was als idealer Bereich für die Beobachtung des kosmischen Hintergrunds selbst gilt. Die von diesen Instrumenten über mehrere Jahre gesammelten Daten werden mit früheren Beobachtungen kombiniert, um die empfindlichste Karte des Himmels zu erstellen, die bisher existiert. Diese Karten zeigen die erwarteten Muster des frühen Universums mit zunehmender Klarheit. Das niederfrequente Instrument hat sich als so effektiv erwiesen, dass es nun bessere Einschränkungen für den Synchrotron-Vordergrund liefert, als es ältere, externe Datenquellen je konnten. Gleichzeitig hat der 150-GHz-Empfänger trotz nur zwei Jahren Beobachtungszeit bereits die Tiefe der Daten erreicht, die ein viel älteres Teleskop-Array über achtzehn Jahre hinweg gesammelt hat, was zeigt, wie massiv der Sprung in der Geschwindigkeit der Kartierung des Himmels durch das Team ist.

Die dringendste Aufgabe des Teams ist die Fertigstellung des dritten Empfängers, der auf viel höhere Frequenzen von 220 und 270 GHz abgestimmt ist. Dieses Instrument ist der Schlüssel, um die kosmischen Karten von galaktischem Staub zu reinigen, der derzeit einen erheblichen Teil der Unsicherheit in ihren Messungen ausmacht. Der Empfänger wurde 2024 eingesetzt und ist derzeit teilweise fertiggestellt, wobei sieben von zwölf Detektormodulen installiert sind. Das Team plant, die verbleibenden fünf Module vor der Beobachtungssaison 2027 zu installieren, ein Ziel, das nun ihre oberste Priorität darstellt. Ohne diese hochfrequenten Daten können sie den Staub nicht vollständig vom kosmischen Signal trennen, was essenziell ist, um ihre ultimative Sensitivitätsgrenze zu erreichen.

Während der Saison Sommer 2025–26 führte das Team erste Tests an dem teilweise fertigen Empfänger durch, um zu prüfen, wie gut er arbeitet. Sie maßen, wie effizient die Detektoren Licht einfangen, überprüften, auf welche spezifischen Frequenzen sie abgestimmt waren, und kartierten die Form des Sichtfeldes des Teleskops. Die Ergebnisse für die 220-GHz-Module waren im Allgemeinen zufriedenstellend, wobei die meisten Detektoren eine Effizienz von über zwanzig Prozent erreichten. Das Team bestätigte zudem, dass die Detektoren auf die korrekten Frequenzen abgestimmt sind und dass die Form ihres Sichtfeldes den theoretischen Vorhersagen entspricht. Jedoch zeigte das einzelne Modul, das bei 270 GHz arbeitet, eine geringere Effizienz als gewünscht. Das Team vermutet, dass dies auf ein Problem bei der Fertigungsausrichtung zurückzuführen ist, das in neueren Designs bereits korrigiert wurde. Sie planen, dieses unterperformende Modul zu ersetzen, sobald der Rest des Empfängers gefüllt ist, und erwarten, dass die neuen Komponenten deutlich besser funktionieren werden.

Das ultimative Ziel des BICEP Arrays ist es, eine Präzision zu erreichen, die es ihnen ermöglicht, das Tensor-Skalar-Verhältnis – eine Zahl, die die Stärke des Inflationssignals beschreibt – mit einer Unsicherheit von etwa 0,001 zu messen. Aktuelle Projektionen deuten darauf hin, dass das Team dieses Ziel bis 2034 erreichen wird, sofern sie den hochfrequenten Empfänger erfolgreich vervollständigen und seine Daten mit den bestehenden Instrumenten kombinieren kann. Dieser Zeitplan setzt voraus, dass sie die Staubkontamination mithilfe der neuen Karten effektiv entfernen und die subtilen Arten und Weise, wie sich Staub über verschiedene Frequenzen hinweg verhält, berücksichtigen können. Der in dieser Arbeit berichtete Fortschritt bestätigt, dass die Hardware wie vorgesehen funktioniert und der Weg nach vorne klar ist, was die wissenschaftliche Gemeinschaft einen Schritt näher an das Verständnis der allerersten Momente unseres Universums bringt.