Cosmic Background Explorer ( COBE / ˈk oʊ b i / KOH -bee ), также известный как Explorer 66 , был спутником НАСА, предназначенным для космологии , который работал с 1989 по 1993 год. Его целями были исследование космического микроволнового фонового излучения (CMB или CMBR) Вселенной и предоставление измерений, которые помогли бы сформировать наше понимание космоса .
Измерения COBE предоставили два ключевых доказательства, которые поддержали теорию Большого взрыва Вселенной: что реликтовое излучение имеет почти идеальный спектр черного тела , и что оно имеет очень слабую анизотропию . Двое из главных исследователей COBE, Джордж Ф. Смут III и Джон К. Мазер , получили Нобелевскую премию по физике в 2006 году за свою работу над проектом. По словам комитета по Нобелевской премии, «проект COBE также можно рассматривать как отправную точку для космологии как точной науки». [4]
COBE был вторым спутником для изучения реликтового излучения после RELIKT-1 , за которым последовали два более совершенных космических аппарата: зонд анизотропии микроволнового излучения Уилкинсона (WMAP), работавший с 2001 по 2010 год, и космический аппарат Planck с 2009 по 2013 год.
Целью миссии Cosmic Background Explorer (COBE) было проведение точных измерений диффузного излучения в диапазоне от 1 микрометра до 1 см (0,39 дюйма) по всей небесной сфере. Были измерены следующие величины: (1) спектр 3 K-излучения в диапазоне от 100 микрометров до 1 см (0,39 дюйма); (2) анизотропия этого излучения от 3 до 10 мм (0,39 дюйма); и (3) спектр и угловое распределение диффузного инфракрасного фонового излучения на длинах волн от 1 до 300 микрометров. [5]
В 1974 году НАСА опубликовало Объявление о возможности проведения астрономических миссий, в которых будет использоваться космический корабль Explorer малого или среднего размера . Из 121 полученных предложений три были связаны с изучением космологического фонового излучения. Хотя эти предложения проиграли Инфракрасному астрономическому спутнику ( IRAS ), их сила заставила НАСА продолжить изучение этой идеи. В 1976 году НАСА сформировало комитет из членов каждой из трех групп предложений 1974 года, чтобы объединить их идеи для такого спутника. Год спустя этот комитет предложил запустить полярно-орбитальный спутник под названием COBE либо с помощью ракеты-носителя Delta 5920-8 , либо с помощью космического челнока . Он должен был содержать следующие инструменты: [6]
NASA приняло предложение при условии, что расходы не превысят 30 миллионов долларов США, без учета пусковой установки и анализа данных. Из-за перерасхода средств в программе Explorer из-за IRAS работа по созданию спутника в Goddard Space Flight Center (GSFC) началась только в 1981 году. Для экономии средств инфракрасные детекторы и дьюар с жидким гелием на COBE будут аналогичны тем, которые используются на инфракрасном астрономическом спутнике (IRAS).
Первоначально планировалось, что COBE будет запущен в ходе миссии Space Shuttle STS-82-B в 1988 году с авиабазы Ванденберг , но взрыв Challenger задержал этот план, когда шаттлы были приземлены. NASA не позволило инженерам COBE обратиться в другие космические компании для запуска COBE, и в конечном итоге переработанный COBE был выведен на солнечно-синхронную орбиту 18 ноября 1989 года на борту ракеты-носителя Delta.
23 апреля 1992 года ученые COBE объявили на апрельском заседании APS в Вашингтоне, округ Колумбия, об обнаружении «первичных семян» (анизотропия CMBE) в данных с инструмента DMR; до этого другие инструменты «не могли увидеть шаблон». [7] На следующий день The New York Times опубликовала эту историю на первой странице, объяснив открытие как «первое свидетельство, показывающее, как изначально гладкий космос превратился в сегодняшнюю панораму звезд, галактик и гигантских скоплений галактик». [8]
Нобелевская премия по физике за 2006 год была совместно присуждена Джону К. Мазеру, Центр космических полетов имени Годдарда , НАСА , и Джорджу Ф. Смуту III, Калифорнийский университет в Беркли , «за открытие формы абсолютно черного тела и анизотропии реликтового излучения». [9]
COBE был спутником класса Explorer, технологии которого во многом заимствованы у IRAS, но при этом имелись некоторые уникальные характеристики.
Необходимость контролировать и измерять все источники систематических ошибок требовала строгой и комплексной конструкции. COBE должен был работать в течение как минимум 6 месяцев и ограничивать количество радиопомех от Земли, COBE и других спутников, а также радиационных помех от Земли , Солнца и Луны . [ 10] Инструменты требовали температурной стабильности и поддержания усиления, а также высокого уровня чистоты для уменьшения проникновения постороннего света и теплового излучения от частиц.
Необходимость контроля систематической ошибки при измерении анизотропии реликтового излучения и измерения зодиакального облака при различных углах удлинения для последующего моделирования потребовала, чтобы спутник вращался со скоростью 0,8 об./мин . [10] Ось вращения также наклонена назад от вектора орбитальной скорости в качестве меры предосторожности против возможных отложений остаточного атмосферного газа на оптике, а также против инфракрасного свечения, которое могло бы возникнуть из-за быстрых нейтральных частиц, ударяющихся о его поверхность на чрезвычайно высокой скорости.
Для того чтобы удовлетворить двойному требованию медленного вращения и трехосного управления ориентацией, была использована сложная пара колес углового момента рыскания , оси которых были ориентированы вдоль оси вращения. [10] Эти колеса использовались для переноса углового момента, противоположного моменту всего космического корабля, с целью создания системы с нулевым чистым угловым моментом.
Орбита должна была определяться на основе специфики миссии космического корабля. Главными соображениями были необходимость полного покрытия неба, необходимость устранения паразитного излучения от приборов и необходимость поддержания тепловой стабильности дьюара и приборов. [10] Круговая солнечно-синхронная орбита удовлетворяла всем этим требованиям. Была выбрана орбита высотой 900 км (560 миль) с наклоном 99°, поскольку она соответствовала возможностям либо космического челнока (с вспомогательным двигателем на COBE), либо ракеты-носителя Delta. Эта высота была хорошим компромиссом между излучением Земли и заряженными частицами в радиационных поясах Земли на больших высотах. Восходящий узел в 18:00 был выбран, чтобы позволить COBE следовать границе между солнечным светом и темнотой на Земле в течение всего года.
Орбита в сочетании с осью вращения позволяла постоянно удерживать Землю и Солнце ниже плоскости щита, что позволяло проводить полное сканирование неба каждые шесть месяцев.
Последние две важные части, относящиеся к миссии COBE, были дьюар и щит Солнце-Земля. Дьюар представлял собой 650-литровый (140 имп галлонов; 170 галлонов США) сверхтекучий гелиевый криостат, предназначенный для охлаждения инструментов FIRAS и DIRBE во время миссии. Он был основан на той же конструкции, что и тот, что использовался на IRAS, и мог выпускать гелий вдоль оси вращения вблизи коммуникационных массивов. Конический щит Солнце-Земля защищал инструменты от прямого солнечного и земного излучения, а также радиопомех от Земли и передающей антенны COBE. Его многослойные изолирующие одеяла обеспечивали тепловую изоляцию дьюара. [10]
В январе 1994 года инженерные работы были завершены, и космический корабль был передан на космодром Уоллопс (WFF) для использования в качестве испытательного спутника. [5]
Исследование дифференциального микроволнового радиометра (DMR) использует три дифференциальных радиометра для картирования неба на частотах 31,4, 53 и 90 ГГц . Радиометры распределены по внешней поверхности криостата. Каждый радиометр использует пару рупорных антенн, смотрящих под углом 30° от оси вращения космического корабля, измеряя дифференциальную температуру между точками на небе, разделенными 60°. На каждой частоте есть два канала для измерений с двойной поляризацией для повышения чувствительности и надежности. Каждый радиометр представляет собой микроволновый приемник, вход которого быстро переключается между двумя рупорными антеннами, получая разницу в яркости двух полей зрения диаметром 7°, расположенных на расстоянии 60° друг от друга и 30° от оси космического корабля. Высокая чувствительность достигается за счет температурной стабилизации (при 300 К для 31,4 ГГц и при 140 К для 53 и 90 ГГц), вращения космического корабля и возможности интеграции в течение всего года. Чувствительность к крупномасштабной анизотропии составляет около 3E-5 K. Прибор весит 120 кг (260 фунтов), потребляет 114 Вт и имеет скорость передачи данных 500 бит/с . [11]
Эксперимент по диффузному инфракрасному фону (DIRBE) состоит из криогенно охлаждаемого (до 2 К) многополосного радиометра, используемого для исследования диффузного инфракрасного излучения от 1 до 300 микрометров. Прибор измеряет абсолютный поток в 10 диапазонах длин волн с полем зрения 1°, направленным на 30° от оси вращения. Детекторы ( фотопроводники ) и фильтры для каналов от 8 до 100 микрометров такие же, как для миссии IRAS . Болометры используются для самого длинноволнового канала (от 120 до 300 микрометров). Телескоп представляет собой хорошо экранированный, внеосевой, григорианский коллектор потока с повторным отображением. Прибор весит приблизительно 34 кг (75 фунтов), использует 100 Вт и имеет скорость передачи данных 1700 бит/с. [12]
Дальний инфракрасный абсолютный спектрофотометр (FIRAS) — это криогенно охлаждаемый поляризационный интерферометр Майкельсона, используемый в качестве спектрометра с преобразованием Фурье . Прибор направлен вдоль оси вращения и имеет поле зрения 7°. Это устройство измеряет спектр с точностью 1/1000 пикового потока на 1,7 мм (0,067 дюйма) для каждого поля зрения 7° на небе (в диапазоне от 0,1 до 10 мм (0,39 дюйма)). FIRAS использует специальный коллектор потока в виде раструба с очень низким уровнем боковых лепестков и внешний калибратор, охватывающий весь луч; требуются точная регулировка температуры и калибровка. Прибор имеет дифференциальный вход для сравнения неба с внутренним эталоном при 3 К. Эта функция обеспечивает устойчивость к систематическим ошибкам в спектрометре и вносит значительный вклад в способность обнаруживать небольшие отклонения от спектра черного тела. Прибор весит 60 кг (130 фунтов), потребляет 84 Вт и имеет скорость передачи данных 1200 бит/с. [13]
Научная миссия проводилась тремя ранее описанными инструментами: DIRBE, FIRAS и DMR. Инструменты перекрывались по охвату длин волн, обеспечивая проверку согласованности измерений в областях спектрального перекрытия и помощь в различении сигналов от нашей галактики, Солнечной системы и CMB. [10]
Приборы COBE выполнят каждую из своих задач, а также будут проводить наблюдения, которые будут иметь последствия, выходящие за рамки первоначальной сферы деятельности COBE.
В течение 15-летнего периода между предложением и запуском COBE произошло два важных астрономических события:
С этими разработками, служившими фоном для миссии COBE, ученые с нетерпением ждали результатов от FIRAS. Результаты FIRAS были поразительными, поскольку они показали идеальное соответствие CMB и теоретической кривой для черного тела при температуре 2,7 К, в отличие от результатов Беркли-Нагоя.
Измерения FIRAS были сделаны путем измерения спектральной разницы между 7°-ым участком неба против внутреннего черного тела. Интерферометр в FIRAS покрывал от 2 до 95 см−1 в двух полосах, разделенных на 20 см−1. Существует две длины сканирования (короткая и длинная) и две скорости сканирования (быстрая и медленная) для четырех различных режимов сканирования. Данные собирались в течение десятимесячного периода. [16]
DMR смог провести четыре года, картируя обнаруживаемую анизотропию космического фонового излучения, поскольку это был единственный инструмент, не зависящий от подачи гелия в дьюар для его охлаждения. Эта операция позволила создать полные карты неба CMB путем вычитания галактических выбросов и диполей на различных частотах. Флуктуации космического микроволнового фона чрезвычайно слабы, всего одна часть на 100 000 по сравнению со средней температурой поля излучения 2,73 К. Космическое микроволновое фоновое излучение является остатком Большого взрыва , а флуктуации являются отпечатком контраста плотности в ранней Вселенной. Считается, что рябь плотности привела к образованию структур , которые наблюдаются во Вселенной сегодня: скопления галактик и обширные регионы, лишенные галактик. [17]
DIRBE также обнаружил 10 новых галактик, излучающих в дальнем ИК-диапазоне, в регионе, не обследованном IRAS, а также девять других кандидатов в слабом дальнем ИК-диапазоне, которые могут быть спиральными галактиками . Галактики, обнаруженные на длинах волн 140 и 240 мкм, также смогли предоставить информацию об очень холодной пыли (VCD). На этих длинах волн можно получить массу и температуру VCD. Когда эти данные были объединены с данными 60 и 100 мкм, полученными от IRAS, было обнаружено, что светимость в дальнем инфракрасном диапазоне возникает из-за холодной (≈17–22 К) пыли, связанной с диффузными перистыми облаками области HI , 15–30% из-за холодной (≈19 К) пыли, связанной с молекулярным газом, и менее 10% из-за теплой (≈29 К) пыли в расширенных областях низкой плотности H II . [18]
В дополнение к открытиям DIRBE по галактикам, он также внес два других важных вклада в науку. [18] Инструмент DIRBE смог провести исследования межпланетной пыли (IPD) и определить, было ли ее происхождение от астероидных или кометных частиц. Данные DIRBE, собранные на 12, 25, 50 и 100 мкм, позволили сделать вывод, что зерна астероидного происхождения заполняют полосы IPD и гладкое облако IPD. [19]
Вторым вкладом DIRBE была модель галактического диска , видимого с ребра с нашей позиции. Согласно модели, если Солнце находится на расстоянии 8,6 кпк от галактического центра , то оно находится на 15,6% выше средней плоскости диска, которая имеет радиальную и вертикальную шкалы 2,64 и 0,333 кпк соответственно и деформирована способом, соответствующим слою HI. Также нет никаких признаков толстого диска. [20]
Для создания этой модели IPD пришлось вычесть из данных DIRBE. Было обнаружено, что это облако, которое с Земли является зодиакальным светом , не было сосредоточено на Солнце, как считалось ранее, а на месте в космосе, находящемся в нескольких миллионах километров. Это связано с гравитационным влиянием Сатурна и Юпитера . [6]
В дополнение к научным результатам, подробно описанным в последнем разделе, есть множество космологических вопросов, оставшихся без ответа в результатах COBE. Прямое измерение внегалактического фонового света (EBL) также может предоставить важные ограничения на интегрированную космологическую историю звездообразования, производства металлов и пыли, а также преобразования звездного света в инфракрасное излучение пылью. [21]
Рассматривая результаты DIRBE и FIRAS в диапазоне от 140 до 5000 мкм, мы можем обнаружить, что интегрированная интенсивность EBL составляет ≈16 нВт /(м2 · ср). Это согласуется с энергией, выделяемой во время нуклеосинтеза , и составляет около 20–50% от общей энергии, выделяемой при образовании гелия и металлов на протяжении всей истории Вселенной. Приписываемая только ядерным источникам, эта интенсивность подразумевает, что более 5–15% плотности барионной массы, подразумеваемой анализом нуклеосинтеза Большого взрыва, было переработано в звездах в гелий и более тяжелые элементы. [21]
Также были значительные последствия для звездообразования . Наблюдения COBE обеспечивают важные ограничения на скорость звездообразования в космосе и помогают нам вычислить спектр EBL для различных историй звездообразования. Наблюдения, сделанные COBE, требуют, чтобы скорость звездообразования при красных смещениях z ≈ 1,5 была больше, чем выведенная из УФ-оптических наблюдений, в 2 раза. Эта избыточная звездная энергия должна быть в основном сгенерирована массивными звездами в еще не обнаруженных окутанных пылью галактиках или чрезвычайно пыльных областях звездообразования в наблюдаемых галактиках. [21] Точная история звездообразования не может быть однозначно решена COBE, и в будущем должны быть проведены дальнейшие наблюдения.
30 июня 2001 года НАСА запустило последующую миссию COBE под руководством заместителя главного исследователя DMR Чарльза Л. Беннетта . Зонд Wilkinson Microwave Anisotropy Probe прояснил и расширил достижения COBE. После WMAP, зонда Европейского космического агентства, Planck продолжил увеличивать разрешение, при котором был нанесен на карту фон. [22] [23]
В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .
