Planck — космическая обсерватория, которой управляло Европейское космическое агентство (ESA) с 2009 по 2013 год. Это был амбициозный проект, целью которого было картирование анизотропии космического микроволнового фона (CMB) на микроволновых и инфракрасных частотах с высокой чувствительностью и угловым разрешением. Миссия была весьма успешной и существенно улучшилась по сравнению с наблюдениями, сделанными зондом NASA Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP).
Обсерватория «Планк» была основным источником информации, касающейся нескольких космологических и астрофизических проблем. Одной из ее основных целей была проверка теорий ранней Вселенной и происхождения космической структуры. Миссия дала важные сведения о составе и эволюции Вселенной, проливая свет на фундаментальную физику, которая управляет космосом.
Первоначально Planck назывался COBRAS/SAMBA, что означает Cosmic Background Radiation Anisotropy Satellite/Satellite for Measurement of Background Anisotropies. Проект стартовал в 1996 году и позже был переименован в честь немецкого физика Макса Планка (1858–1947), которого широко считают создателем квантовой теории, выведшим формулу для излучения черного тела.
Построенный в Космическом центре Канн-Манделье компанией Thales Alenia Space , Planck был создан как миссия среднего размера для долгосрочной научной программы ESA Horizon 2000. Обсерватория была запущена в мае 2009 года и достигла точки L2 Земля/Солнце к июлю 2009 года. К февралю 2010 года она успешно начала второй обзор всего неба.
21 марта 2013 года команда Planck опубликовала свою первую карту всего неба космического микроволнового фона. Карта была исключительного качества и позволила исследователям измерить температурные изменения в реликтовом фоне с беспрецедентной точностью. В феврале 2015 года был опубликован расширенный релиз, который включал данные о поляризации . Окончательные документы команды Planck были опубликованы в июле 2018 года, что ознаменовало завершение миссии.
В конце своей миссии Planck был переведен на гелиоцентрическую орбиту захоронения и пассивирован , чтобы не подвергать опасности будущие миссии. Окончательная команда на деактивацию была отправлена Planck в октябре 2013 года.
Миссия имела замечательный успех и обеспечила самые точные измерения нескольких ключевых космологических параметров. Наблюдения Планка помогли определить возраст Вселенной, среднюю плотность обычной материи и темной материи во Вселенной и другие важные характеристики космоса.
Миссия имела широкий спектр научных целей, в том числе: [2]
Planck имел более высокое разрешение и чувствительность, чем WMAP, что позволяло ему исследовать спектр мощности CMB в гораздо меньших масштабах (×3). Он также наблюдал в девяти частотных диапазонах, а не в пяти, как WMAP, с целью улучшения астрофизических фоновых моделей.
Ожидается, что большинство измерений Planck были ограничены тем, насколько хорошо можно вычесть передний фон, а не производительностью детектора или продолжительностью миссии, что является особенно важным фактором для измерений поляризации . [ требуется обновление ] Доминирующее переднее фоновое излучение зависит от частоты, но может включать синхротронное излучение от Млечного Пути на низких частотах и пыль на высоких частотах. [ требуется обновление ]
Космический аппарат оснащен двумя инструментами: низкочастотным инструментом (LFI) и высокочастотным инструментом (HFI). [2] Оба инструмента могут определять как общую интенсивность, так и поляризацию фотонов, и вместе охватывают диапазон частот около 830 ГГц (от 30 до 857 ГГц). Спектр космического микроволнового фона достигает пика на частоте 160,2 ГГц.
Пассивные и активные системы охлаждения Planck позволяют его приборам поддерживать температуру −273,05 °C (−459,49 °F), или на 0,1 °C выше абсолютного нуля . [3] С августа 2009 года Planck был самым холодным известным объектом в космосе, пока его активный запас охлаждающей жидкости не был исчерпан в январе 2012 года. [4]
NASA сыграло свою роль в разработке этой миссии и вносит вклад в анализ научных данных. Его Лаборатория реактивного движения построила компоненты научных инструментов, включая болометры для высокочастотного инструмента, 20-кельвиновый криоохладитель для низкочастотных и высокочастотных инструментов, а также усилительную технологию для низкочастотного инструмента. [5]
LFI имеет три частотных диапазона, охватывающих диапазон 30–70 ГГц, охватывающий микроволновые и инфракрасные области электромагнитного спектра. Детекторы используют транзисторы с высокой подвижностью электронов . [2]
HFI был чувствителен в диапазоне от 100 до 857 ГГц, используя 52 болометрических детектора, произведенных JPL/Caltech, [6] оптически связанных с телескопом через холодную оптику, произведенную Школой физики и астрономии Кардиффского университета, [7] состоящую из конфигурации тройного рупора и оптических фильтров, концепция, аналогичная той, что использовалась в эксперименте Archeops на воздушном шаре. Эти узлы обнаружения разделены на 6 частотных диапазонов (с центрами на 100, 143, 217, 353, 545 и 857 ГГц), каждый с полосой пропускания 33%. Из этих шести диапазонов только четыре нижних имеют возможность измерять поляризацию входящего излучения; два верхних диапазона не имеют такой возможности. [2]
13 января 2012 года было сообщено, что бортовой запас гелия-3, используемый в рефрижераторе растворения Planck , был исчерпан, и что HFI станет непригодным к использованию в течение нескольких дней. [8] К этой дате Planck завершил пять полных сканирований реликтового излучения, превысив свою цель в два раза. Ожидалось, что LFI (охлаждаемый гелием-4 ) останется работоспособным еще от шести до девяти месяцев. [8]
Общий служебный модуль (SVM) был спроектирован и построен компанией Thales Alenia Space на ее заводе в Турине для миссий Herschel Space Observatory и Planck , объединенных в одну единую программу. [2]
Общая стоимость миссии Planck оценивается в 700 миллионов евро [9] и 1100 миллионов евро для миссии Herschel [10] . Обе цифры включают стоимость космического аппарата и полезной нагрузки миссии, (общие) расходы на запуск и миссию, а также научные операции.
Конструктивно SVM Herschel и Planck очень похожи. Оба SVM имеют восьмиугольную форму, и каждая панель предназначена для размещения определенного набора теплых блоков, принимая во внимание требования к рассеиванию различных теплых блоков, инструментов, а также космического корабля. На обоих космических кораблях использовалась общая конструкция для авионики , управления ориентацией и измерения (ACMS), управления командами и данными (CDMS), питания и подсистем слежения, телеметрии и управления (TT&C). Все блоки на SVM являются избыточными.
На каждом космическом аппарате подсистема питания состоит из солнечной батареи , использующей трехпереходные солнечные элементы , батареи и блока управления питанием (PCU). PCU предназначен для взаимодействия с 30 секциями каждой солнечной батареи, для обеспечения регулируемой шины 28 вольт, для распределения этой мощности через защищенные выходы и для управления зарядкой и разрядкой батареи.
В случае Планка круговая солнечная батарея закреплена на нижней части спутника и всегда обращена к Солнцу, поскольку спутник вращается вокруг своей вертикальной оси.
Эту функцию выполняет компьютер управления ориентацией (ACC), который является платформой для подсистемы управления ориентацией и измерения (ACMS). Он был разработан для выполнения требований к наведению и повороту полезных нагрузок Herschel и Planck .
Спутник Planck вращается со скоростью один оборот в минуту, с целью достижения абсолютной ошибки наведения менее 37 угловых минут. Поскольку Planck также является обзорной платформой, существует дополнительное требование к ошибке воспроизводимости наведения менее 2,5 угловых минут в течение 20 дней.
Основным датчиком линии визирования в Herschel и Planck является звездный датчик .
Спутник был успешно запущен вместе с космической обсерваторией Herschel в 13:12:02 UTC 14 мая 2009 года на борту тяжелой ракеты-носителя Ariane 5 ECA из Гвианского космического центра . Запуск вывел аппарат на очень эллиптическую орбиту ( перигей : 270 км [170 миль], апогей : более 1 120 000 км [700 000 миль]), приблизив его к точке Лагранжа L 2 системы Земля-Солнце , на расстоянии 1 500 000 километров (930 000 миль) от Земли.
Маневр по выводу Planck на его конечную орбиту вокруг L 2 был успешно завершен 3 июля 2009 года, когда он вышел на орбиту Лиссажу с радиусом 400 000 км (250 000 миль) вокруг точки Лагранжа L 2. [11] Температура высокочастотного инструмента достигла всего лишь одной десятой градуса выше абсолютного нуля (0,1 К ) 3 июля 2009 года, поместив как низкочастотный, так и высокочастотный инструменты в пределы их криогенных рабочих параметров, что сделало Planck полностью работоспособным. [12]
В январе 2012 года HFI исчерпал свой запас жидкого гелия, что привело к повышению температуры детектора и сделало HFI непригодным для использования. LFI продолжал использоваться до окончания научных операций 3 октября 2013 года. 9 октября космический аппарат выполнил маневр, чтобы отойти от Земли и ее точки L 2 , поместив его на гелиоцентрическую орбиту , в то время как дезактивация полезной нагрузки произошла 19 октября. 21 октября Planck получил команду исчерпать оставшийся запас топлива; позже были проведены мероприятия по пассивации , включая отключение батареи и отключение защитных механизмов. [13] Последняя команда дезактивации, которая отключила передатчик космического аппарата, была отправлена Planck 23 октября 2013 года в 12:10:27 UTC. [14]
Planck начал свой первый обзор всего неба 13 августа 2009 года. [16] В сентябре 2009 года Европейское космическое агентство объявило о предварительных результатах обзора Planck First Light Survey , который был выполнен для демонстрации стабильности инструментов и возможности их калибровки в течение длительных периодов. Результаты показали, что качество данных превосходное. [17]
15 января 2010 года миссия была продлена на 12 месяцев, и наблюдения продолжались по крайней мере до конца 2011 года. После успешного завершения Первого обзора космический аппарат начал Второй обзор всего неба 14 февраля 2010 года. Последние наблюдения для Второго обзора всего неба были сделаны 28 мая 2010 года. [11]
Некоторые данные списка запланированных направлений за 2009 год были опубликованы, вместе с видеовизуализацией обследованного неба. [16]
17 марта 2010 года были опубликованы первые фотографии Планка , показывающие концентрацию пыли в радиусе 500 световых лет от Солнца. [18] [19]
5 июля 2010 года миссия «Планк» предоставила первое изображение всего неба. [20]
Первым публичным научным результатом Planck является Early-Release Compact-Source Catalogue, выпущенный на конференции Planck в Париже в январе 2011 года. [21] [22]
5 мая 2014 года была опубликована карта магнитного поля галактики, созданная с помощью Planck . [23]
Команда Planck и главные исследователи Наццарено Мандолези и Жан-Лу Пьюджет разделили премию Грубера 2018 года по космологии . [24] Пьюджет также был награжден премией Шоу 2018 года по астрономии. [25]
21 марта 2013 года европейская исследовательская группа, стоящая за космологическим зондом Planck, опубликовала карту всего неба миссии космического микроволнового фона. [26] [27] Эта карта предполагает, что Вселенная немного старше, чем считалось: согласно карте, тонкие колебания температуры были запечатлены в глубоком небе, когда Вселенной было около 370 000 лет. Отпечаток отражает рябь, которая возникла еще в самом начале существования Вселенной, как первая нониллионная (10 −30 ) секунды. Предполагается, что эта рябь дала начало нынешней обширной космической паутине галактических скоплений и темной материи . По словам команды, Вселенная13,798 ± 0,037 миллиарда лет, и содержит4,82% ± 0,05% обычного вещества,26,8% ± 0,4% темной материи и69% ± 1% темной энергии . [28] [29] [30] Постоянная Хаббла также была измерена как67,80 ± 0,77 (км/с)/Мпк . [26] [28] [31] [32] [33]
Результаты анализа полной миссии Planck были обнародованы 1 декабря 2014 года на конференции в Ферраре , Италия. [34] Полный набор документов, подробно описывающих результаты миссии, был опубликован в феврале 2015 года. [35] Некоторые из результатов включают в себя:
Ученые проекта также работали с учеными BICEP2 , чтобы опубликовать в 2015 году совместное исследование, отвечающее на вопрос, был ли сигнал, обнаруженный BICEP2, свидетельством первичных гравитационных волн или же это был простой фоновый шум от пыли в галактике Млечный Путь. [34] Их результаты предполагают последнее. [36]
{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
