Neues Gerät verbessert die Genauigkeit der CMB-Kalibrierung

Experimente zur Kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMB) schauen sich die schwache Strahlung an, die aus dem frühen Universum übrig geblieben ist. Damit diese Experimente korrekte Ergebnisse liefern, müssen sie messen, wie das Licht polarisiert ist, also in welche Richtung sich die Lichtwellen bewegen. Da es keine natürlichen Quellen zur Kalibrierung der Polarisation gibt, wurde ein neues Werkzeug namens PROTOCALC entwickelt. Dieses Gerät ist für CMB-Teleskope gedacht, die im 90 Gigahertz-Bereich arbeiten. Es erzeugt eine bekannte polarisierten Lichtquelle mit hoher Genauigkeit.

#Der Bedarf an genauer Kalibrierung

Eine präzise Kalibrierung ist entscheidend für CMB-Instrumente. Wenn die Geräte, die das Licht messen, nicht richtig funktionieren, kann das zu Fehlern beim Verständnis wichtiger kosmischer Details führen. Zum Beispiel könnten falsch kalibrierte Instrumente dafür sorgen, dass Wissenschaftler Signale wie Gravitationswellen aus dem frühen Universum übersehen oder nicht erkennen, wie die Schwerkraft das Licht der CMB beeinflusst.

Wissenschaftler streben eine sehr hohe Genauigkeit beim Messen des Polarisationswinkels an, die etwa 0,2 Grad oder besser betragen soll. Diese Präzision ist wichtig, um bestimmte Phänomene aus dem frühen Universum zu erkennen. Eines dieser Phänomene ist die kosmische Doppelbrechung, die darauf hindeuten könnte, welche Kräfte damals im Spiel waren. Die beste verfügbare natürliche Quelle für diese Messung, bekannt als TAU-A, wird für CMB-Anwendungen nicht gut genug verstanden, was die Bedeutung einer zuverlässigen künstlichen Quelle unterstreicht.

#Das PROTOCALC-Gerät

PROTOCALC, kurz für PROTOtype CALibrator for Cosmology, wurde mit Unterstützung des Forschungsprogramms Horizon 2020 entwickelt. Ziel war es, eine Quelle zu entwerfen, die einen genauen Polarizationswinkel für CMB-Teleskope liefern kann. Die Version, die für erste Tests verwendet wurde, flog erstmals im Mai 2022 und lieferte ermutigende Ergebnisse.

Die aktualisierte Version von PROTOCALC konzentriert sich darauf, leichter und effizienter zu sein. Die Plattform, die das Gerät trägt, ist die DJI Matrice 600 Pro Drohne, die mit einem stabilisierenden Gerät namens Gimbal ausgestattet ist. Das hilft, die Quelle während des Flugs stabil zu halten. Das Team hat daran gearbeitet, das Gewicht der Nutzlast zu reduzieren, indem es Materialien wie PLA verwendet hat, ein 3D-gedruckter Kunststoff. Diese Änderung erhöht die Zeit, die das Gerät in der Luft bleiben kann, was für Kalibrierungszwecke entscheidend ist.

#Designverbesserungen

Das neue Design des PROTOCALC-Geräts ist deutlich leichter als die vorherige Version. Das wurde erreicht, indem Materialien gewechselt und eine Nutzlast entworfen wurden, die aus zwei Teilen besteht, um den Zugang zu erleichtern. Die 3D-gedruckte Nutzlast hat Löcher zur Unterstützung der Wärmeabfuhr, was entscheidend ist, wenn das Gerät polarisiertes Licht erzeugt.

Obwohl PLA andere thermische Eigenschaften hat als Aluminium, bleibt die notwendige Genauigkeit im neuen Design erhalten. Auch die für das Gerät benötigte Ausrichtung bleibt im Einklang mit früheren Messungen. Eine robuste Verbindung zwischen der Nutzlast und dem Gimbal wurde mit einem metallenen Schlitz für mehr Sicherheit sichergestellt.

#Mechanische und thermische Verwaltung

Der Materialwechsel brachte Herausforderungen mit sich, besonders weil PLA nicht so stark wie Aluminium ist. Die Nutzlast muss unter bestimmten Bedingungen einwandfrei funktionieren, selbst in grossen Höhen, wo der Luftdruck niedrig ist. Das Team verwendete Simulationen, um zu bewerten, wie gut das neue Design mit diesen Bedingungen zurechtkommt, und analysierte genau, wie die Struktur mit Stress und Wärme umgeht.

Die Ergebnisse aus den Simulationen zeigten, dass das neue Design betriebliche Temperaturen bewältigen kann und die Stabilität während des Flugs beibehält. Die erste Resonanzfrequenz der neuen Nutzlast liegt auf einem sicheren Niveau basierend auf früheren Testdaten, was bedeutet, dass sie unter realen Bedingungen wie gewünscht funktionieren sollte.

#Software und Steuerungssystem

Ein grosses Update für PROTOCALC war die Einführung eines Raspberry Pi 4. Dieses Gerät kommuniziert mit mehreren Sensoren und verwaltet deren Daten effizienter als die vorherige Version. Die Steuerungssoftware führt verschiedene Aufgaben aus, einschliesslich dem Start der Kamera und der genauen Zeiterfassung. Diese Präzision ist entscheidend, um sicherzustellen, dass alle Daten synchron gesammelt werden.

Die Technologie ermöglicht es dem Team, mehr Informationen zu sammeln, da sie zusätzliche Sensoren eingeführt haben, um den gesamten Kalibrierungsprozess zu verbessern. Das neue Setup umfasst Geräte wie GPS und Sensoren zur Überwachung der Umweltbedingungen, was helfen kann, die Genauigkeit der Messungen zu erhöhen.

#Datensammlung und Flugkampagnen

PROTOCALC hat mehrere Flugkampagnen durchlaufen, um seine Effektivität zu testen. Die letzten Flüge fanden zwischen 2022 und 2024 statt und konzentrierten sich darauf, die Datensammlungsmethoden zu verfeinern. Das Team stellte fest, dass das Scannen in Azimut, während die Drohne hoch und runter bewegt wird, die konsistenteste Atmosphäre für Messungen bietet.

Bei den vorherigen Flügen wurde die Kamera so eingestellt, dass sie Standbilder aufnimmt, aber für die neuesten Tests wurde der Fokus auf Video gelegt. Die Videoaufnahmen bieten eine breitere Datenerfassung und ermöglichen eine bessere Beobachtung und Messung. Algorithmen wurden entwickelt, um spezifische Ziele in den Videobildern zu identifizieren, was die Analyse der gesammelten Daten erleichtert.

Das Gerät erlebte im neueren Design weniger thermischen Drift, was bedeutet, dass die Messungen während der Flüge zuverlässiger waren. Die ausgestrahlten Signale von PROTOCALC waren für die Teleskope am Boden sichtbar, was darauf hindeutet, dass das Gerät während dieser Missionen gut funktionierte.

#Ergebnisse und zukünftige Schritte

Bis jetzt hat das PROTOCALC-Projekt vielversprechende Ergebnisse aus den durchgeführten Tests gezeigt. Abgesehen von der Verbesserung der Nutzlast kann das System jetzt zusätzlich weitere Quellen beherbergen, die helfen könnten, andere Frequenzbänder zu kalibrieren, die von CMB-Teleskopen benötigt werden.

Während das Team in die Zukunft blickt, planen sie zukünftige Kampagnen, die den Einsatz verschiedener Sensoren erweitern und die Zielgenauigkeit weiter verbessern werden. Mit fortlaufenden Verbesserungen wird PROTOCALC eine bedeutende Rolle bei der Erforschung der ersten Momente des Universums spielen und zu einem besseren Verständnis seiner Anfänge und grundlegenden Kräfte führen.