Зонд микроволновой анизотропии Уилкинсона ( WMAP ) , первоначально известный как Зонд микроволновой анизотропии ( MAP и Explorer 80 ), был космическим кораблем НАСА , работавшим с 2001 по 2010 год и измерявшим разницу температур по всему небу в космическом микроволновом фоне (CMB) – излучающем тепло, оставшееся от Большого взрыва . [5] [6] Миссия, возглавляемая профессором Чарльзом Л. Беннеттом из Университета Джонса Хопкинса , была разработана в рамках совместного партнерства Центра космических полетов имени Годдарда НАСА и Принстонского университета . [7] Космический корабль WMAP был запущен 30 июня 2001 года из Флориды . Миссия WMAP пришла на смену космической миссии COBE и стала вторым космическим кораблем среднего класса (MIDEX) в программе NASA Explorer . В 2003 году MAP был переименован в WMAP в честь космолога Дэвида Тодда Уилкинсона (1935–2002), [7] который был членом научной группы миссии. После девяти лет работы WMAP был отключен в 2010 году после запуска более совершенного космического корабля «Планк» Европейским космическим агентством (ЕКА) в 2009 году.
Измерения WMAP сыграли ключевую роль в создании нынешней Стандартной модели космологии: модели Lambda-CDM . Данные WMAP очень хорошо соответствуют Вселенной, в которой доминирует темная энергия в форме космологической постоянной . Другие космологические данные также согласуются и в совокупности сильно ограничивают Модель. В модели Вселенной Lambda-CDM возраст Вселенной равен13,772 ± 0,059 миллиарда лет. Миссия WMAP определила возраст Вселенной с точностью выше 1%. [8] Текущая скорость расширения Вселенной равна (см. постоянную Хаббла )69,32 ± 0,80 км·с -1 ·Мпк -1 . Содержимое вселенной в настоящее время состоит из4,628% ± 0,093% обычной барионной материи ;24,02%+0,88%
−0,87% холодная темная материя (CDM), которая не излучает и не поглощает свет; и71,35%+0,95%
−0,96%темной энергии в форме космологической постоянной, которая ускоряет расширение Вселенной . [9] Менее 1% текущего содержания Вселенной приходится на нейтрино, но измерения WMAP впервые в 2008 году показали, что данные отдают предпочтение существованию космического нейтринного фона [10] с эффективным числом нейтрино. виды нейтрино3,26 ± 0,35 . Содержимое указывает на евклидову плоскую геометрию с кривизной ( )−0,0027+0,0039
−0,0038. Измерения WMAP также поддерживают парадигму космической инфляции несколькими способами, включая измерение неравномерности.
Миссия удостоилась различных наград: по версии журнала Science , WMAP был признан « Прорывом года» в 2003 году . [11] Результаты этой миссии заняли первое и второе место в списке «Супергорячие статьи в науке с 2003 года». [12] Из самых цитируемых за всю историю статей по физике и астрономии в базе данных INSPIRE-HEP только три были опубликованы с 2000 года, и все три являются публикациями WMAP. Беннетт, Лайман А. Пейдж-младший и Дэвид Н. Спергель, оба из Принстонского университета, разделили премию Шоу в области астрономии 2010 года за свою работу над WMAP. [13] Беннетт и научная группа WMAP были удостоены премии Грубера 2012 года в области космологии. Премия за прорыв в области фундаментальной физики 2018 года была присуждена Беннетту, Гэри Хиншоу, Норману Яросику, Пейджу, Спергелю и научной группе WMAP.
В октябре 2010 года космический корабль WMAP после девяти лет эксплуатации остался на гелиоцентрической орбите-кладбище . [14] Все данные WMAP публикуются и подвергаются тщательному изучению. Последним официальным выпуском данных стал выпуск за девять лет в 2012 году. [15] [16]
Некоторые аспекты данных статистически необычны для Стандартной модели космологии. Например, самое большое измерение углового масштаба, квадрупольный момент , несколько меньше, чем предсказывает Модель, но это несоответствие не очень существенно. [17] Большая холодная точка и другие особенности данных более статистически значимы, и исследования по ним продолжаются.
Целью WMAP было измерение разницы температур в космическом микроволновом фоновом (CMB) излучении . Затем анизотропии использовались для измерения геометрии, содержания и эволюции Вселенной ; а также проверить модель Большого взрыва и теорию космической инфляции . [18] Для этого миссия создала карту всего неба реликтового излучения с разрешением 13 угловых минут посредством многочастотного наблюдения. Карта требовала наименьшего количества систематических ошибок , отсутствия коррелированного пиксельного шума и точной калибровки, чтобы обеспечить точность углового масштаба, превышающую ее разрешение. [18] Карта содержит 3 145 728 пикселей и использует схему HEALPix для пикселизации сферы. [19] Телескоп также измерил поляризацию E-моды реликтового излучения, [18] и поляризацию переднего плана. [10] Срок службы составил 27 месяцев; 3 для достижения положения L 2 и 2 года наблюдения. [18]
Миссия MAP была предложена НАСА в 1995 году, выбрана для определения в 1996 году и одобрена для разработки в 1997 году. [20] [21]
WMAP предшествовали две миссии по наблюдению за CMB; (i) советский РЕЛИКТ-1 , который сообщил об измерениях верхнего предела анизотропии реликтового излучения, и (ii) американский спутник COBE , который первым сообщил о крупномасштабных флуктуациях реликтового излучения. WMAP был в 45 раз более чувствителен, а угловое разрешение в 33 раза превышало его предшественника-спутника COBE. [22] Последующая европейская миссия «Планк» (действовала в 2009–2013 гг.) имела более высокое разрешение и более высокую чувствительность, чем WMAP, и наблюдала в 9 диапазонах частот, а не в 5 WMAP, что позволило улучшить астрофизические модели переднего плана.
Основные отражающие зеркала телескопа представляют собой пару григорианских тарелок размером 1,4 × 1,6 м (4 фута 7 дюймов × 5 футов 3 дюйма) (обращенных в противоположных направлениях), которые фокусируют сигнал на пару 0,9 × 1,0 м (2 фута 11 дюймов × 3 фута 3 дюйма) вторичные отражающие зеркала. Их форма обеспечивает оптимальную производительность: оболочка из углеродного волокна на сердечнике Korex, тонко покрытом оксидом алюминия и кремния . Вторичные отражатели передают сигналы на гофрированные рупоры, которые расположены в корпусе матрицы фокальной плоскости под первичными отражателями. [18]
Приемники представляют собой поляризационно -чувствительные дифференциальные радиометры , измеряющие разницу между лучами двух телескопов. Сигнал усиливается с помощью малошумящих усилителей на транзисторах с высокой подвижностью электронов (HEMT) , построенных Национальной радиоастрономической обсерваторией (NRAO). Имеется 20 каналов, по 10 в каждом направлении, с которых радиометр собирает сигнал; мерой является разница в сигнале неба с противоположных направлений. Азимут направленного разделения - 180°; общий угол составляет 141°. Чтобы улучшить вычитание сигналов переднего плана нашей галактики Млечный Путь , WMAP использовал пять отдельных радиочастотных диапазонов: от 23 ГГц до 94 ГГц. [18]
Основанием WMAP является массив солнечных панелей диаметром 5,0 м (16,4 фута) , который удерживает инструменты в тени во время наблюдений CMB (постоянно удерживая аппарат под углом 22 ° относительно Солнца ) . На массиве расположены нижняя дека (поддерживающая теплые компоненты) и верхняя дека. Холодные компоненты телескопа: решетка в фокальной плоскости и зеркала отделены от теплых компонентов цилиндрической термоизоляционной оболочкой длиной 33 см (13 дюймов) наверху платформы. [18]
Пассивные тепловые радиаторы охлаждают WMAP примерно до 90 К (-183,2 ° C; -297,7 ° F); они подключены к малошумящим усилителям . Телескоп потребляет 419 Вт мощности. Имеющиеся обогреватели телескопа предназначены для аварийного выживания, а также имеется обогреватель передатчика, который используется для их обогрева в выключенном состоянии. Температура космического корабля WMAP контролируется платиновыми термометрами сопротивления . [18]
Калибровка WMAP осуществляется с использованием диполя реликтового излучения и измерений Юпитера ; диаграммы направленности измеряются относительно Юпитера. Данные телескопа ежедневно передаются через транспондер 2 ГГц , обеспечивающий нисходящую линию связи со скоростью 667 кбит / с на станцию Deep Space Network на расстоянии 70 м (230 футов) . На космическом корабле есть два транспондера, один из которых является резервным; они минимально активны – около 40 минут в день – чтобы минимизировать радиочастотные помехи . Положение телескопа поддерживается по трем осям с помощью трех реактивных колес , гироскопов , двух звездных трекеров и датчиков Солнца , а управление осуществляется с помощью восьми гидразиновых двигателей. [18]
Космический корабль WMAP прибыл в Космический центр Кеннеди 20 апреля 2001 года. После двухмесячных испытаний он был запущен с помощью ракеты-носителя Delta II 7425 30 июня 2001 года. [20] [22] Он начал работать на своей внутренней энергии через пять минут. до его запуска и продолжал работать до тех пор, пока не была развернута батарея солнечных панелей. WMAP был активирован и контролировался, пока он остывал. 2 июля 2001 г. он приступил к работе сначала с летных испытаний (с момента запуска до 17 августа 2001 г.), затем приступил к постоянной формальной работе. [22] После этого он совершил три фазовых цикла Земля-Луна, измерив ее боковые лепестки , затем пролетел мимо Луны 30 июля 2001 года по пути к точке Лагранжа Солнце-Земля L 2 и прибыл туда 1 октября 2001 года, став первым Там разместилась наблюдательная миссия CMB. [20]
Размещение космического корабля в Лагранже 2 (1 500 000 км (930 000 миль) от Земли) термически стабилизирует его и сводит к минимуму зарегистрированные загрязняющие солнечные, земные и лунные выбросы. Чтобы просмотреть все небо, не глядя на Солнце, WMAP прослеживает путь вокруг L 2 по орбите Лиссажу ок. от 1,0° до 10°, [18] со сроком 6 мес. [20] Телескоп вращается каждые 2 минуты 9 секунд (0,464 об/мин ) и прецессирует со скоростью 1 оборот в час. [18] WMAP измерял все небо каждые шесть месяцев и завершил свое первое наблюдение всего неба в апреле 2002 года. [21]
Прибор WMAP состоит из псевдокорреляционных дифференциальных радиометров, питаемых двумя последовательными первичными григорианскими рефлекторами длиной 1,5 м (4 фута 11 дюймов). Этот прибор использует пять частотных диапазонов от 22 ГГц до 90 ГГц, чтобы облегчить подавление сигналов переднего плана нашей собственной Галактики. Прибор WMAP имеет поле зрения 3,5° x 3,5° (FoV). [23]
WMAP наблюдался на пяти частотах, что позволяло измерять и вычитать загрязнение переднего плана (от Млечного Пути и внегалактических источников) реликтового излучения. Основными механизмами излучения являются синхротронное излучение и свободное излучение (доминирующее на нижних частотах), астрофизическое пылевое излучение (доминирующее на более высоких частотах). Спектральные свойства этих излучений вносят разный вклад в пять частот, что позволяет их идентифицировать и вычитать. [18]
Загрязнение переднего плана удаляется несколькими способами. Во-первых, вычтите существующие карты выбросов из измерений WMAP; во-вторых, использовать известные спектральные значения компонентов для их идентификации; в-третьих, одновременно подогнать данные о положении и спектрах излучения переднего плана, используя дополнительные наборы данных. Загрязнение переднего плана было уменьшено за счет использования только частей карты всего неба с наименьшим загрязнением переднего плана и маскировки остальных частей карты. [18]
11 февраля 2003 года НАСА опубликовало данные WMAP за первый год. Были представлены последние расчеты возраста и состава ранней Вселенной. Кроме того, было представлено изображение ранней Вселенной, которое «содержит такие потрясающие детали, что может стать одним из самых важных научных результатов последних лет». Недавно опубликованные данные превосходят предыдущие измерения CMB. [7]
На основе модели Lambda-CDM команда WMAP получила космологические параметры на основе результатов WMAP за первый год. Ниже приведены три набора; первый и второй наборы представляют собой данные WMAP; разница заключается в добавлении спектральных индексов, предсказаний некоторых инфляционных моделей. Третий набор данных объединяет ограничения WMAP с ограничениями других экспериментов CMB ( ACBAR и CBI ), а также ограничениями 2dF Galaxy Redshift Survey и измерений альфа-леса Лаймана . Среди параметров наблюдаются вырождения, наиболее значимые — между и ; приведенные ошибки имеют доверительную вероятность 68%. [24]
Используя наиболее подходящие данные и теоретические модели, команда WMAP определила время важных всемирных событий, включая красное смещение реионизации .17 ± 4 ; красное смещение развязки ,1089 ± 1 (и возраст Вселенной на момент разделения,379+8
−7 кыр ); и красное смещение равенства материи/излучения,3233+194
−210. Они определили толщину поверхности последнего рассеяния как195 ± 2 по красному смещению, или118+3
−2 кыр . Они определили плотность тока барионов ,(2,5 ± 0,1) × 10 -7 см -1 , а отношение барионов к фотонам6.1+0,3
−0,2× 10 -10 . Обнаружение WMAP ранней реионизации исключило теплую темную материю . [24]
Команда также исследовала излучения Млечного Пути на частотах WMAP, создав каталог источников из 208 точек .
Трехлетние данные WMAP были опубликованы 17 марта 2006 года. Данные включали измерения температуры и поляризации реликтового излучения, которые предоставили дальнейшее подтверждение стандартной плоской модели Lambda-CDM и новые доказательства в поддержку инфляции .
Одни только данные WMAP за 3 года показывают, что во Вселенной должна быть темная материя . Результаты были вычислены как только с использованием данных WMAP, так и с использованием сочетания ограничений параметров других инструментов, включая другие эксперименты CMB ( приемник массива болометрических матриц ArcMint Cosmology (ACBAR), Cosmic Background Imager (CBI) и BOOMERANG ), Sloan Digital Sky Survey ( SDSS), обзор красного смещения галактик 2dF , обзор наследия сверхновых и ограничения на постоянную Хаббла с космического телескопа Хаббла . [25]
[а] ^ Оптическая глубина реионизации улучшилась благодаря измерениям поляризации. [26]
[б] ^ <0,30 в сочетании с данными SDSS . Никаких указаний на негауссовость. [25]
Пятилетние данные WMAP были опубликованы 28 февраля 2008 года. Данные включали новые доказательства космического нейтринного фона , доказательства того, что первым звездам потребовалось более полумиллиарда лет, чтобы реионизировать Вселенную, а также новые ограничения на космическую инфляцию . [27]
Улучшение результатов произошло как за счет дополнительных двух лет измерений (набор данных выполняется с полуночи 10 августа 2001 г. до полуночи 9 августа 2006 г.), так и за счет использования улучшенных методов обработки данных и лучшей характеристики прибора. особенно формы луча. Они также используют наблюдения на частоте 33 ГГц для оценки космологических параметров; ранее использовались только каналы 41 ГГц и 61 ГГц.
Для удаления переднего плана использовались улучшенные маски. [10] Улучшения в спектрах коснулись третьего акустического пика и поляризационных спектров. [10]
Измерения наложили ограничения на содержимое Вселенной на момент излучения реликтового излучения; в то время 10% Вселенной состояло из нейтрино, 12% из атомов, 15% из фотонов и 63% из темной материи. Вклад темной энергии в то время был незначительным. [27] Это также ограничивало содержание современной вселенной; 4,6% атомов, 23% темной материи и 72% темной энергии. [10]
Пятилетние данные WMAP были объединены с измерениями сверхновой типа Ia (SNe) и барионных акустических колебаний (BAO). [10]
Эллиптическая форма карты неба WMAP является результатом проекции Моллвейде . [28]
Данные накладывают ограничения на значение отношения тензора к скаляру r <0,22 (вероятность 95%), что определяет уровень, на котором гравитационные волны влияют на поляризацию реликтового излучения, а также накладывает ограничения на количество первичных не -гауссовость . Были наложены улучшенные ограничения на красное смещение реионизации, которое10,9 ± 1,4 , красное смещение развязки ,1 090,88 ± 0,72 (а также возраст Вселенной на момент разделения ,376,971+3,162
−3,167 kyr ) и красное смещение материи/равенство излучения,3253+89
−87. [10]
Каталог внегалактических источников был расширен и теперь включает 390 источников, а также обнаружена переменность в излучении Марса и Сатурна . [10]
Данные WMAP за семь лет были опубликованы 26 января 2010 года. В рамках этого выпуска были расследованы претензии о несоответствии стандартной модели. [29] Было показано, что большинство из них не являются статистически значимыми, и, вероятно, из-за апостериорного отбора (когда человек видит странное отклонение, но не может должным образом оценить, насколько тщательно он искал; обычно обнаруживается отклонение с вероятностью 1:1000). если попытаться тысячу раз). Для отклонений, которые все же остаются, альтернативных космологических идей не существует (например, по-видимому, существуют корреляции с полюсом эклиптики). Наиболее вероятно, что это связано с другими эффектами: в отчете упоминаются неопределенности в точной форме луча и другие возможные небольшие остающиеся инструментальные и аналитические проблемы.
Другим важным подтверждением является общее количество материи/энергии во Вселенной в виде темной энергии – 72,8% (в пределах 1,6%) в качестве нечастичного фона и темной материи – 22,7% (в пределах 1,4%). небарионной (субатомной) энергии «частицы». В результате количество материи или барионных частиц (атомов) составляет всего 4,56% (в пределах 0,16%).
29 декабря 2012 года были опубликованы данные WMAP за девять лет и соответствующие изображения.На изображении показаны колебания температуры длительностью 13,772 ± 0,059 миллиарда лет и температурный диапазон ± 200 микрокельвинов . Кроме того, исследование показало, что ранняя Вселенная на 95% состоит из темной материи и темной энергии , кривизна пространства составляет менее 0,4% от «плоской», а Вселенная возникла из космических темных веков «около 400 миллионов лет назад». после Большого взрыва . [15] [16] [33]
Главный результат миссии содержится в различных овальных картах разницы температур реликтового излучения. Эти овальные изображения представляют распределение температуры, полученное командой WMAP на основе наблюдений телескопа во время миссии. Измеряется температура, полученная на основе интерпретации микроволнового фона согласно закону Планка . Овальная карта охватывает все небо. Результаты представляют собой снимок Вселенной примерно через 375 000 лет после Большого взрыва , который произошел около 13,8 миллиардов лет назад. Микроволновой фон очень однороден по температуре (относительные отклонения от среднего значения, которое в настоящее время все еще составляет 2,7 К, составляют лишь порядка5 × 10 -5 ). Колебания температуры, соответствующие локальным направлениям, представлены разными цветами («красные» направления горячее, «синие» направления холоднее среднего). [ нужна цитата ]
Первоначальный график WMAP предусматривал два года наблюдений; они были завершены к сентябрю 2003 года. Продление миссии было разрешено в 2002, 2004, 2006 и 2008 годах, что дало космическому кораблю в общей сложности 9 лет наблюдений, которые закончились в августе 2010 года [20] , а в октябре 2010 года космический корабль был перенесен на гелиоцентрическое «кладбище». «Орбита . [14]
Космический корабль «Планк» также измерял реликтовое излучение с 2009 по 2013 год и стремится уточнить измерения, сделанные WMAP, как по общей интенсивности, так и по поляризации. Различные наземные и воздушные инструменты также внесли свой вклад в CMB, и для этого создаются другие. Многие из них направлены на поиск поляризации B-моды, ожидаемой от простейших моделей инфляции, включая The E and B Experiment (EBEX), Spider , BICEP и Keck Array (BICEP2), Keck , QUIET , Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS). ), Южнополярный телескоп (СПТпол) и другие.
21 марта 2013 года исследовательская группа под руководством Европы, стоящая за космическим кораблем «Планк», опубликовала карту космического микроволнового фона миссии по всему небу. [34] [35] Карта предполагает, что Вселенная немного старше, чем считалось ранее. Согласно карте, тонкие колебания температуры были запечатлены в глубоком небе, когда космосу было около 370 000 лет. Отпечаток отражает пульсации, возникшие еще в период существования Вселенной, в первую ноллионную (10-30 ) секунды. По-видимому, эта рябь породила нынешнюю обширную космическую сеть скоплений галактик и темной материи . По данным 2013 года, Вселенная содержит 4,9% обычной материи , 26,8% темной материи и 68,3% темной энергии . 5 февраля 2015 года миссия Планк опубликовала новые данные, согласно которым возраст Вселенной составляет 13,799 ± 0,021 миллиарда лет, а постоянная Хаббла — 67,74 ± 0,46 (км/с)/Мпк . [36]
В эту статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .Миссия WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) предназначена для определения геометрии, состава и эволюции Вселенной с помощью карты полного неба с разрешением 13
угловых
минут
на полувысоте температурной анизотропии космического микроволнового фонового излучения.
В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .Только с помощью очень чувствительных инструментов, таких как COBE и WMAP, космологи могут обнаружить колебания фоновой температуры космического микроволнового излучения.
Изучая эти колебания, космологи смогут узнать о происхождении галактик и крупномасштабных структурах галактик, а также измерить основные параметры теории Большого взрыва.
В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В эту статью включен текст из этого источника, который находится в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .
