Ein Satellit kaum größer als ein Handgepäckstück soll eine Epoche des Universums erforschen, die bislang praktisch unbeobachtet geblieben ist. CosmoCube soll hinter dem Mond nach einem extrem schwachen Radiosignal des neutralen Wasserstoffs suchen – und damit mehr als 13,5 Milliarden Jahre in die Vergangenheit blicken.
Das Missionskonzept stammt von einem internationalen Forschungsteam unter Leitung der University of Cambridge. Die Forschenden haben ihre Pläne jetzt in Nature Astronomy vorgestellt. Noch ist CosmoCube nicht startbereit. Instrumentprototypen werden jedoch bereits getestet, und das Team hofft auf einen Start innerhalb der kommenden fünf Jahre.
Der ungewöhnliche Beobachtungsort ist entscheidend: Die Rückseite des Mondes schirmt den Satelliten gegen einen großen Teil der von der Erde kommenden Funksignale ab.
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Gesucht wird ein Signal aus der Zeit vor den ersten Sternen
CosmoCube soll die sogenannte 21-cm-Linie des neutralen Wasserstoffs untersuchen. Sie entsteht durch einen Hyperfeinstrukturübergang im Wasserstoffatom und besitzt heute im Ruhezustand eine Frequenz von rund 1420 MHz.
Das Signal aus dem frühen Universum ist durch die kosmische Expansion jedoch stark rotverschoben. CosmoCube soll deshalb bei extrem niedrigen Frequenzen zwischen etwa 10 und 50 MHz messen.
Genau dort stoßen Teleskope auf der Erde an Grenzen. Die Ionosphäre beeinflusst beziehungsweise blockiert die tiefsten Radiofrequenzen. Hinzu kommen starke menschengemachte Störungen durch Rundfunk, Telekommunikation und Satelliten.
Für die Forschenden ist deshalb die Mondrückseite besonders interessant. Befindet sich CosmoCube dort auf seiner Umlaufbahn, liegt der Mond zwischen Satellit und Erde und wirkt wie ein natürlicher Schutzschild gegen irdische Funkemissionen.
Rund 40 Minuten Messzeit pro Mondumlauf
Nach dem derzeitigen Konzept soll CosmoCube den Mond etwa alle zwei Stunden umrunden. Rund 40 Minuten davon befindet er sich in dem besonders gut abgeschirmten Bereich auf der erdabgewandten Seite. Über eine geplante Missionsdauer von zwei Jahren sollen so rund 1000 Stunden Messdaten entstehen.
Nach dem Erreichen der Mondumlaufbahn soll der Satellit eine lange, leichte Radioantenne entfalten. Zusammen mit einem miniaturisierten Radiometer soll sie die extrem schwachen Veränderungen im niederfrequenten Radiospektrum erfassen.
Die geringe Größe des Satelliten ist dabei Teil des Konzepts. Die Plattform SSTL-21 wird vom britischen Raumfahrtunternehmen Surrey Satellite Technology Limited entwickelt. Für das Instrument kommen stark integrierte Radio- und Digitalkomponenten zum Einsatz, darunter sogenannte RF-Systems-on-Chip.
Das eigentliche Problem ist das Rauschen
Auch hinter dem Mond verschwindet der störende Radiohintergrund nicht. Vor allem die Milchstraße sendet bei diesen Frequenzen starke Radiostrahlung aus. Sie ist deutlich stärker als das gesuchte kosmologische Signal.
Hinzu kommt das Eigenrauschen der Elektronik. Schon kleine temperaturbedingte Veränderungen im Messsystem könnten Strukturen erzeugen, die wie ein kosmisches Signal aussehen.
CosmoCube soll sich deshalb während des Betriebs fortlaufend selbst kalibrieren. Ein sogenanntes Dicke-Switching schaltet dazu zwischen dem Himmelssignal und internen Referenzquellen um. Auf diese Weise lassen sich Veränderungen der Elektronik besser erkennen und aus den Messdaten herausrechnen.
Nach der Übertragung zur Erde sollen statistische Verfahren weitere Störsignale entfernen. Zudem müssen die Forschenden genau modellieren, wie die Antenne auf Radiosignale aus unterschiedlichen Richtungen reagiert.
Blick in die kosmische Dunkelzeit
Das Ziel dieser aufwendigen Messungen liegt weit in der Vergangenheit. Rund 380.000 Jahre nach dem Urknall hatte sich das Universum so weit abgekühlt, dass sich Elektronen und Atomkerne zu neutralen Atomen verbinden konnten. Danach begann die sogenannte kosmische Dunkelzeit.
Es gab noch keine Sterne, die sichtbares Licht erzeugten. Das Universum bestand überwiegend aus Wasserstoff, Helium und Dunkler Materie. Erst etwa 100 bis 300 Mio. Jahre nach dem Urknall entstanden die ersten Sterne. Mit ihnen begann die sogenannte Cosmic Dawn.
Der neutrale Wasserstoff aus dieser Übergangszeit hinterließ Spuren im 21-cm-Signal. Dessen Entwicklung relativ zur kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung könnte zeigen, wie sich das Gas im jungen Universum abkühlte und wie die ersten Strukturen entstanden. Direkt beobachtet wurde die kosmische Dunkelzeit in diesem Frequenzbereich bislang nicht.
Auch Dunkle Materie könnte Spuren hinterlassen haben
Die Messungen könnten zudem Hinweise auf die Rolle Dunkler Materie im frühen Universum liefern. Ihre Gravitation war entscheidend dafür, dass sich Materie zu immer dichteren Strukturen zusammenzog, aus denen später Sterne und Galaxien entstanden.
Bestimmte Modelle der Dunklen Materie beeinflussen außerdem, wie sich das Gas in der Frühphase des Universums thermisch entwickelte. Präzise Messungen des 21-cm-Signals könnten deshalb helfen, solche Modelle einzugrenzen.
Ein direkter Nachweis Dunkler Materie wäre CosmoCube allerdings nicht. Die Mission könnte vielmehr zusätzliche Randbedingungen liefern, mit denen sich unterschiedliche Erklärungsmodelle prüfen lassen.
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