Телескоп Южного полюса ( SPT ) — это телескоп диаметром 10 метров (390 дюймов), расположенный на станции Амундсена–Скотта на Южном полюсе в Антарктиде. Телескоп предназначен для наблюдений в микроволновом , миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах электромагнитного спектра , с особой целью проектирования — измерение слабого диффузного излучения космического микроволнового фона (CMB). [5] Ключевые результаты включают в себя широкий и глубокий обзор, в ходе которого были обнаружены сотни скоплений галактик с использованием эффекта Сюняева–Зельдовича , чувствительный обзор спектра мощности CMB длительностью 5 угловых минут и первое обнаружение поляризованного CMB в B-моде.
Первый крупный обзор с SPT, разработанный для поиска далеких, массивных скоплений галактик посредством их взаимодействия с CMB с целью ограничения уравнения состояния темной энергии , был завершен в октябре 2011 года. В начале 2012 года на SPT была установлена новая камера (SPTpol) с еще большей чувствительностью и возможностью измерения поляризации входящего света. Эта камера работала с 2012 по 2016 год и использовалась для создания беспрецедентно глубоких карт высокого разрешения сотен квадратных градусов южного неба. В 2017 году на телескопе была установлена камера третьего поколения SPT-3G, обеспечивающая почти на порядок увеличение числа детекторов в фокальной плоскости. [6]
Сотрудничество SPT осуществляется более чем дюжиной (в основном североамериканских) учреждений, включая Чикагский университет , Калифорнийский университет в Беркли , Университет Кейс Вестерн Резерв , Гарвардскую / Смитсоновскую астрофизическую обсерваторию , Университет Колорадо в Боулдере , Университет Макгилла , Университет штата Мичиган , Иллинойсский университет в Урбане-Шампейне , Калифорнийский университет в Дэвисе , Мюнхенский университет имени Людвига-Максимилиана , Аргоннскую национальную лабораторию и Национальную ускорительную лабораторию имени Ферми. Проект финансируется Национальным научным фондом и Министерством энергетики . [ требуется ссылка ]
Регион Южного полюса является ведущим местом наблюдений в мире для наблюдений в миллиметровом диапазоне волн. Большая высота полюса в 2,8 км (2800 м ; 1,7 мили ; 9200 футов ) над уровнем моря означает, что атмосфера тонкая, а экстремальный холод сохраняет количество водяного пара в воздухе низким. [7] Это особенно важно для наблюдений в миллиметровом диапазоне волн, где входящие сигналы могут поглощаться водяным паром , и где водяной пар испускает излучение, которое можно спутать с астрономическими сигналами. Поскольку солнце не восходит и не заходит ежедневно, атмосфера на полюсе особенно стабильна. Кроме того, в течение месяцев полярной ночи не существует помех от солнца в миллиметровом диапазоне . [ необходима ссылка ]
Телескоп представляет собой внеосевой телескоп Грегориана диаметром 10 метров (394 дюйма) в альтазимутальной монтировке (на полюсах альтазимутальная монтировка фактически идентична экваториальной монтировке ). Он был разработан для обеспечения большого поля зрения (более 1 квадратного градуса) при минимизации систематических неопределенностей от наземного перелива и рассеивания от оптики телескопа. Поверхность зеркала телескопа сглажена примерно до 25 микрометров (0,025 мм ; 0,98 тысячных ), или около одной тысячной дюйма (т. е. одной тысячной ), что позволяет проводить наблюдения в субмиллиметровом диапазоне длин волн. Ключевым преимуществом стратегии наблюдения SPT является то, что сканируется весь телескоп, поэтому луч не перемещается относительно зеркал телескопа. Быстрое сканирование телескопа и его большое поле зрения делают SPT эффективным при обследовании больших участков неба, что необходимо для достижения научных целей обзора скоплений SPT и измерений поляризации CMB. [5] [8]
Первая камера, установленная на SPT, содержала 960-элементную болометрическую решетку сверхпроводящих датчиков края перехода (TES), что сделало ее одной из крупнейших болометрических решеток TES, когда-либо созданных. Фокальная плоскость этой камеры (называемой камерой SPT-SZ, поскольку она была разработана для проведения обзора скоплений галактик с помощью их сигнатуры эффекта Сюняева-Зельдовича ) была разделена на шесть клиньев в форме пирога, каждый из которых имел 160 детекторов. Эти клинья наблюдались на трех разных частотах: 95 ГГц, 150 ГГц и 220 ГГц. Модульность фокальной плоскости позволяла разбить ее на множество различных частотных конфигураций. В течение большей части срока службы камеры фокальная плоскость SPT-SZ имела один клин на 95 ГГц, четыре на 150 ГГц и один на 220 ГГц. Камера SPT-SZ использовалась в первую очередь для проведения обзора 2500 квадратных градусов южного неба (от 20 до 7 часов по прямому восхождению, от −65 до −40 градусов по склонению) с уровнем шума около 15 микрокельвинов в пикселе размером 1 угловая минута на частоте 150 ГГц. [ необходима ссылка ]
Вторая камера, установленная на SPT, также разработанная с использованием сверхпроводящих массивов TES, была еще более чувствительной, чем камера SPT-SZ, и, что особенно важно, имела возможность измерять поляризацию входящего света (отсюда и название SPTpol – South Pole Telescope POLarimeter). 780 чувствительных к поляризации пикселей (каждый с двумя отдельными болометрами TES, по одному чувствительному к каждой линейной поляризации) были разделены между частотами наблюдения 90 ГГц и 150 ГГц, а пиксели на этих двух частотах спроектированы с различными архитектурами детекторов. Пиксели 150 ГГц представляли собой поляриметры TES с гофрированным облучателем, изготовленные в монолитных массивах в Национальном институте стандартов и технологий. Пиксели 90 ГГц представляли собой индивидуально упакованные поляриметры с двойной поляризацией и абсорбером, разработанные в Аргоннской национальной лаборатории. Пиксели 90 ГГц были соединены с оптикой телескопа через индивидуально обработанные контурные облучатели. [ необходима ссылка ]
Первый год наблюдений SPTpol был использован для обследования поля в 100 квадратных градусов с центром в RA 23h30m склонения −55d. Следующие четыре года были в основном потрачены на обследование области в 500 квадратных градусов, из которых исходные 100 квадратных градусов являются подмножеством. В настоящее время это самые глубокие карты высокого разрешения миллиметрового неба на более чем нескольких квадратных градусов, с уровнем шума на 150 ГГц около 5 микрокельвиновых угловых минут и квадратным корнем из двух глубже на поле в 100 квадратных градусов. [ необходима цитата ]
В январе 2017 года на SPT была установлена камера третьего поколения SPT-3G. Используя сочетание усовершенствований оптической системы (обеспечивающих значительно большее поле зрения, ограниченное дифракцией) и новую технологию детекторов (позволяющую использовать детекторы в нескольких наблюдательных полосах в одном пикселе), массив детекторов SPT-3G содержит более чем в десять раз больше датчиков, чем SPTpol, что почти напрямую приводит к десятикратному увеличению скорости, с которой телескоп и камера могут отображать участок неба на заданном уровне шума. Камера состоит из более чем 16 000 детекторов, равномерно распределенных между 90, 150 и 220 ГГц. [ необходима цитата ]
В 2018 году началось новое обследование с использованием камеры SPT-3G. Это обследование должно было охватить 1500 квадратных градусов на глубину < 3 микро-кельвин-угловых минут на частоте 150 ГГц. Примечательно, что это поле полностью перекрывается с полем наблюдения BICEP Array , что позволяет проводить совместный анализ данных SPT и BICEP, что позволит получить значительно лучшие ограничения на потенциальный сигнал от первичных гравитационных волн, чем каждый из этих инструментов может предоставить по отдельности. [ необходима цитата ]
Первым ключевым проектом для SPT, завершенным в октябре 2011 года, был обзор в 2500 квадратных градусов для поиска скоплений галактик с использованием эффекта Сюняева-Зельдовича , искажения космического микроволнового фонового излучения (CMB) из-за взаимодействия между фотонами CMB и внутрикластерной средой в скоплениях галактик. Обзор обнаружил сотни скоплений галактик в чрезвычайно широком диапазоне красных смещений. [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] В сочетании с точными красными смещениями и оценками массы для скоплений этот обзор наложит интересные ограничения на уравнение состояния темной энергии . [10] [16] Данные обзора SPT-SZ также использовались для проведения наиболее чувствительных из существующих измерений спектра мощности реликтового излучения в угловых масштабах, меньших, чем примерно 5 угловых минут (число мультиполей больше 2000) [17] [18] и для обнаружения популяции далеких, гравитационно-линзированных пылевых галактик, формирующих звезды. [19]
Данные с камеры SPTpol были использованы для проведения нескольких новаторских измерений, включая первое обнаружение так называемой «B-моды» или «завитковой» компоненты поляризованного РКФ. [20] Этот сигнал B-моды генерируется в малых угловых масштабах гравитационным линзированием гораздо большего первичного поляризационного сигнала «E-моды» (генерируемого возмущениями скалярной плотности во время испускания РКФ) [21] , а в больших угловых масштабах — взаимодействием РКФ с фоном гравитационных волн, созданных в эпоху инфляции. [22] Измерения крупномасштабного сигнала B-моды имеют потенциал для ограничения масштаба энергии инфляции, тем самым исследуя физику Вселенной в самые ранние времена и самые высокие вообразимые энергетические масштабы, но эти измерения ограничены загрязнением от линзирующих B-мод. Используя большую компоненту E-моды поляризации и измерения линзирующего потенциала CMB, можно сделать оценку линзирующих B-мод и использовать ее для очистки крупномасштабных измерений. Это делензингирование B-моды было впервые продемонстрировано с использованием данных SPTpol. [23] Данные SPTpol также использовались для проведения наиболее точных измерений спектра мощности E-моды и спектра корреляции температуры и E-моды CMB [24] и для создания карт с высоким отношением сигнал/шум проецируемой плотности вещества с использованием реконструкций линзирующего потенциала CMB. [ необходима цитата ]
Обзор SPT-3G площадью 1500 квадратных градусов будет использоваться для достижения множества научных целей, включая беспрецедентные ограничения на фоне первичных гравитационных волн, совместный анализ поляризации B-моды с массивом BICEP , уникальный образец далеких скоплений галактик для космологических и кластерных эволюционных исследований, а также ограничения на фундаментальную физику, такую как масса нейтрино и существование легких реликтовых частиц в ранней Вселенной. [ необходима ссылка ]
Атакамский космологический телескоп имеет схожие, но взаимодополняющие научные цели. [ необходима ссылка ]
Телескоп Южного полюса финансируется через Управление полярных программ Национального научного фонда и Министерство энергетики США , с дополнительной поддержкой от Фонда Кавли и Фонда Гордона и Бетти Мур . Финансирование инструментов и операций SPTpol и SPT-3G также осуществляется Управлением науки, Управлением физики высоких энергий Министерства энергетики США. [ необходима ссылка ]
16 февраля 2007 года телескоп Южного полюса увидел первый свет. Официальные научные наблюдения начались в марте 2007 года. Наблюдения за запуском и начальный небольшой обзор были завершены во время южной зимы 2007 года под руководством зимовщиков Стивена Падина и Зака Станишевски. [ необходима цитата ]
В 2008 году более масштабные полевые исследования были завершены зимовщиками Кейтом Вандерлинде и Даной Хрубс, [ нужна ссылка ] а в 2009 году зимовщиками Эриком Широкоффом и Россом Уильямсоном. [ нужна ссылка ]
В декабре 2009 года камера была снова модернизирована для сезона наблюдений 2010 года. Полное обследование SPT-SZ в 2500 квадратных градусов было завершено в течение сезонов наблюдений 2010 и 2011 годов с зимовщиками Даной Хрубс и Дэниелом Луонг-Ваном. [ необходима цитата ]
Первый свет (первое наблюдение) с камерой SPTpol был получен 27 января 2012 года. В течение первого сезона наблюдений команда зимовщиков Синтия Чан и Николас Хуан собрали данные по полю обзора в 100 квадратных градусов. Зимовщики 2013 года Дана Хрубс и Джейсон Галликкио обследовали более крупное поле в рамках полного обзора SPTpol. Этот более крупный обзор был завершен зимовщиками 2014 года Робертом Ситроном и Николасом Хуаном, зимовщиками 2015 года Чарли Сиверсом и Тоддом Вич, а также зимовщиками 2016 года Кристин Корбетт Моран и Эми Ловиц. Первую зиму наблюдений SPT-3G провели зимовщики Дэниел Михалик и Эндрю Надольски. В 2018 году к ним присоединились Адам Джонс и Джошуа Монтгомери, в 2019 году — Дуглас Хоу и Дэвид Рибель, в 2020 году — Джефф Чен и Аллен Фостер, в 2021 году — Саша Рахлин и Мэтт Янг, в 2022 году — Аман Чокши и Аллен Фостер, а в 2023 году — Кайл Фергюсон и Алекс Поллак. [25]
