Исследователь космического фона ( COBE / ˈk oʊ b i / KOH -bee ), также известный как Explorer 66 , был спутником НАСА , посвященным космологии , который работал с 1989 по 1993 год. Его целями было исследование космического микроволнового фонового излучения . (CMB или CMBR) Вселенной и обеспечивают измерения, которые помогут сформировать наше понимание космоса .
Измерения COBE предоставили два ключевых доказательства, подтверждающих теорию Большого взрыва Вселенной: реликтовое излучение имеет почти идеальный спектр черного тела и очень слабую анизотропию . Двое из главных исследователей COBE, Джордж Ф. Смут и Джон К. Мэзер , получили Нобелевскую премию по физике в 2006 году за работу над проектом. По мнению Нобелевского комитета, «проект COBE также можно рассматривать как отправную точку для космологии как точной науки». [4]
COBE был вторым спутником космического микроволнового фона после РЕЛИКТ-1 , за ним последовали еще два более совершенных космических корабля: Зонд микроволновой анизотропии Уилкинсона (WMAP), работавший с 2001 по 2010 год, и космический корабль Планк с 2009 по 2013 год.
Целью миссии Cosmic Background Explorer (COBE) было проведение точных измерений диффузного излучения на расстоянии от 1 микрометра до 1 см (0,39 дюйма) по всей небесной сфере. Были измерены следующие величины: (1) спектр излучения 3 К 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 возможностях астрономических миссий, в которых будет использоваться космический корабль «Эксплорер» малого или среднего размера . Из 121 поступившего предложения три касались изучения 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 свои идеи по созданию такого спутника. Год спустя этот комитет предложил запустить спутник на полярной орбите под названием COBE либо с помощью ракеты-носителя Delta 5920-8 , либо с помощью космического корабля "Шаттл" . Он будет содержать следующие инструменты: [6]
Экспериментальный модуль содержал инструменты и дьюар , наполненный 650 л (140 имп галлонов; 170 галлонов США) жидкого гелия 1,6 К с коническим солнцезащитным козырьком. Базовый модуль содержал системы ориентации , связи и электропитания . Спутник вращался со скоростью 1 об/мин вокруг оси симметрии, чтобы контролировать систематические ошибки в измерениях анизотропии и позволить наблюдать зодиакальный свет при различных углах удлинения Солнца. Ориентация оси вращения сохранялась против Земли и под углом 94° к линии Солнце-Земля. Рабочая орбита была солнечно-синхронной, так что Солнце всегда находилось сбоку и, таким образом, было защищено от приборов. При такой ориентации орбиты и оси вращения инструменты выполняли полное сканирование небесной сферы каждые шесть месяцев. Работа приборов была прекращена 23 декабря 1993 года. По состоянию на январь 1994 года инженерные работы должны были завершиться в этом же месяце, после чего эксплуатация космического корабля будет переведена на летный комплекс Уоллопса (WFF) для использования в качестве испытательного спутника. [5]
В исследовании дифференциального микроволнового радиометра (DMR) используются три дифференциальных радиометра для картирования неба на частотах 31,4, 53 и 90 ГГц . Радиометры распределены по внешней поверхности криостата. В каждом радиометре используется пара рупорных антенн, смотрящих под углом 30° от оси вращения космического корабля и измеряющих разницу температур между точками неба, расположенными на расстоянии 60°. На каждой частоте имеется два канала для измерений двойной поляризации 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 140 К для 53 и 90 ГГц), вращения КА и возможности интегрирования в течение всего года. Чувствительность к крупномасштабной анизотропии составляет около 3E-5 К. Прибор весит 120 кг (260 фунтов), потребляет 114 Вт и имеет скорость передачи данных 500 бит/с . [7]
Эксперимент по диффузному инфракрасному фону (DIRBE) состоит из многодиапазонного радиометра с криогенным охлаждением (до 2 К), используемого для исследования диффузного инфракрасного излучения в диапазоне 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 и для миссии IRAS. Болометры используются для самого длинноволнового канала (от 120 до 300 микрометров). Чувствительность DIRBE будет лучше, чем 2E-12 Вт/(см 2 ср) в каналах с 1 по 3. Каналы с 4 по 8 достигнут 6E-13 [ нужны разъяснения ] , а каналы 9 и 10 с их менее чувствительными болометрами, но с большей чувствительностью. , достигнет 4Е-12. Эти пределы достижимы с помощью существующих детекторов, охлажденных почти до температуры криостата 1,6 К. Телескоп представляет собой внеосевой григорианский коллектор потока с хорошими перегородками и возможностью повторного построения изображений. Прибор весит около 34 кг (75 фунтов), потребляет 100 Вт и имеет скорость передачи данных 1700 бит/с. [8]
Абсолютный спектрофотометр в дальнем инфракрасном диапазоне (FIRAS) представляет собой поляризационный интерферометр Майкельсона с криогенным охлаждением , 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 расстоянии 1,7 мм (0,067 дюйма) для каждых 7° поля зрения на небе (в диапазоне от 0,1 до 10 мм (0,39 дюйма)). В FIRAS используется специальный коллектор потока раструбного рупора с очень низким уровнем боковых лепестков и внешний калибратор, охватывающий весь луч; требуется точная регулировка температуры и калибровка. Прибор имеет дифференциальный вход для сравнения неба с внутренним эталоном при температуре 3 К. Эта функция обеспечивает устойчивость к систематическим ошибкам спектрометра 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. [9]
НАСА приняло это предложение при условии, что расходы не превысят 30 миллионов долларов США, не считая средств запуска и анализа данных. Из-за перерасхода средств в программе Explorer из-за IRAS работы по созданию спутника в Центре космических полетов Годдарда (GSFC) начались только в 1981 году. Для экономии затрат 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 с помощью космического корабля "Шаттл " STS-82-B в 1988 году с базы ВВС Ванденберг , но взрыв "Челленджера" задержал реализацию этого плана, когда шаттлы были остановлены. НАСА не позволило инженерам COBE обратиться к другим космическим компаниям для запуска COBE, и в конечном итоге модернизированный COBE был выведен на солнечно-синхронную орбиту 18 ноября 1989 года на борту ракеты-носителя Delta.
23 апреля 1992 года ученые COBE объявили на апрельской встрече APS в Вашингтоне, округ Колумбия, об обнаружении «первичных зародышей» (анизотропии CMBE) в данных прибора DMR; до этого другие инструменты «не могли видеть шаблон». [10] На следующий день The New York Times опубликовала эту историю на первой полосе, объяснив открытие как «первое свидетельство того, как изначально гладкий космос превратился в сегодняшнюю панораму звезд, галактик и гигантских скоплений галактик». [11]
Нобелевская премия по физике за 2006 год была присуждена совместно Джону К. Мэзеру из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА и Джорджу Ф. Смуту из Калифорнийского университета в Беркли «за открытие формы черного тела и анизотропии космического микроволнового фонового излучения». ". [12]
COBE был спутником класса Explorer, технология которого в значительной степени была заимствована у IRAS, но с некоторыми уникальными характеристиками.
Необходимость контролировать и измерять все источники систематических ошибок требовала строгого и комплексного проектирования. COBE должен будет работать минимум 6 месяцев и ограничивать количество радиопомех от Земли, COBE и других спутников, а также радиационных помех от Земли , Солнца и Луны . [13] От приборов требовалась температурная стабильность и поддержание усиления, а также высокий уровень чистоты для уменьшения попадания постороннего света и теплового излучения твердых частиц.
Необходимость контроля систематической погрешности измерения анизотропии реликтового излучения и измерения зодиакального облака под разными углами удлинения для последующего моделирования потребовала, чтобы спутник вращался со скоростью вращения 0,8 об/мин . [13] Ось вращения также отклонена назад от вектора орбитальной скорости в качестве меры предосторожности против возможных отложений остаточного атмосферного газа на оптике, а также против инфракрасного свечения, которое может возникнуть в результате попадания быстрых нейтральных частиц на его поверхность на чрезвычайно высокой скорости.
Чтобы удовлетворить двойные требования медленного вращения и трехосного управления ориентацией, использовалась сложная пара колес углового момента рыскания , ось которых была ориентирована вдоль оси вращения. [13] Эти колеса использовались для передачи углового момента, противоположного угловому моменту всего космического корабля, чтобы создать систему с нулевым чистым угловым моментом.
Орбита окажется определена исходя из особенностей миссии космического корабля. Главнейшими соображениями были необходимость полного покрытия неба, необходимость устранения рассеянного излучения от инструментов и необходимость поддержания термической стабильности дьюара и инструментов. [13] Круговая солнечно-синхронная орбита удовлетворяла всем этим требованиям. Орбита высотой 900 км (560 миль) и наклоном 99 ° была выбрана, поскольку она соответствовала возможностям либо космического корабля «Шаттл » (со вспомогательной двигательной установкой на COBE), либо ракеты-носителя «Дельта». 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 тьмой на Земле в течение всего года.
Орбита в сочетании с осью вращения позволяла удерживать Землю и Солнце постоянно ниже плоскости щита, позволяя проводить полное сканирование неба каждые шесть месяцев.
Двумя последними важными частями миссии COBE были Дьюар и Солнце-Земля. Дьюар представлял собой сверхтекучий гелиевый криостат объемом 650 л (140 имп галлонов; 170 галлонов США), предназначенный для охлаждения инструментов FIRAS и DIRBE во время миссии. Он был основан на той же конструкции, что и тот, который использовался на IRAS, и мог выпускать гелий вдоль оси вращения рядом с коммуникационными массивами. Конический экран Солнце-Земля защищал инструменты от прямого солнечного и земного излучения, а также радиопомех от Земли и передающей антенны COBE. Его многослойные изоляционные покрытия обеспечивали тепловую изоляцию дьюара. [13]
Научная миссия проводилась с помощью трех инструментов, подробно описанных ранее: DIRBE, FIRAS и DMR. Инструменты перекрывали диапазон длин волн, обеспечивая проверку согласованности измерений в областях спектрального перекрытия и помогая различать сигналы от нашей галактики, Солнечной системы и реликтового излучения. [13]
Инструменты COBE будут выполнять каждую из своих задач, а также проводить наблюдения, которые будут иметь последствия, выходящие за рамки первоначальных задач COBE.
За 15-летний период между предложением и запуском COBE произошло два важных астрономических события:
Поскольку эти разработки послужили фоном для миссии COBE, ученые с нетерпением ждали результатов от FIRAS. Результаты FIRAS были поразительными, поскольку они показали идеальное соответствие реликтового излучения и теоретической кривой для черного тела при температуре 2,7 К, тем самым доказав ошибочность результатов Беркли-Нагоя.
Измерения FIRAS проводились путем измерения спектральной разницы между участком неба под углом 7 ° и внутренним черным телом. Интерферометр в FIRAS покрывал диапазон от 2 до 95 см-1 в двух полосах, разделенных 20 см-1. Имеется две длины сканирования (короткая и длинная) и две скорости сканирования (быстрая и медленная), всего четыре различных режима сканирования. Данные собирались в течение десяти месяцев. [16]
DMR смог потратить четыре года на картографирование обнаруживаемой анизотропии космического фонового излучения, поскольку это был единственный инструмент, не зависевший от подачи гелия из дьюара для поддержания его охлаждения. Эта операция позволила создать полные карты неба реликтового излучения путем вычитания галактического излучения и диполя на различных частотах. Флуктуации космического микроволнового фона чрезвычайно слабы, всего одна часть из 100 000 по сравнению со средней температурой поля излучения 2,73 К. Космическое микроволновое фоновое излучение является остатком Большого взрыва , а флуктуации — отпечатком контраста плотности в ранней Вселенной. Считается, что рябь плотности привела к формированию структуры , наблюдаемой сегодня во Вселенной: скопления галактик и обширные области, лишенные галактик. [17]
DIRBE также обнаружил 10 новых излучающих галактик в дальнем ИК-диапазоне в регионе, не исследованном IRAS, а также девять других кандидатов в слабый дальний ИК-диапазон, 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 определить массу и температуру VCD. Когда эти данные были объединены с данными 60 и 100 мкм, полученными из IRAS, было обнаружено, что светимость в дальней инфракрасной области возникает из-за холодной (≈17–22 К) пыли, связанной с диффузными перистыми облаками области HI , на 15–30% из-за холода ( ≈19 К) пыль, связанная с молекулярным газом, и менее 10% — с теплой (≈29 К) пылью в протяженных областях низкой плотности H II . [18]
Помимо открытий, полученных DIRBE о галактиках, он также внес еще два значительных вклада в науку. [18] Прибор DIRBE смог провести исследования межпланетной пыли (IPD) и определить, произошло ли ее происхождение из астероидных или кометных частиц. Данные DIRBE, собранные на длинах волн 12, 25, 50 и 100 мкм, позволили сделать вывод, что зерна астероидного происхождения заселяют полосы IPD и гладкое облако IPD. [19]
Вторым вкладом DIRBE стала модель галактического диска , видимая с нашей позиции с ребра. Согласно модели, если Солнце находится на расстоянии 8,6 кпк от Галактического Центра , то оно находится на 15,6% выше средней плоскости диска, имеющего радиальный и вертикальный масштабные длины 2,64 и 0,333 кпк соответственно и определенным образом искривленного. соответствует слою HI. Также нет никаких признаков толстого диска. [20]
Чтобы создать эту модель, IPD пришлось вычесть из данных DIRBE. Было обнаружено, что это облако, которое, если смотреть с Земли, представляет собой зодиакальный свет , было сосредоточено не на Солнце, как считалось ранее, а в месте в космосе, находящемся на расстоянии нескольких миллионов километров. Это происходит из-за гравитационного влияния Сатурна и Юпитера . [6]
Помимо научных результатов, подробно описанных в последнем разделе, результаты COBE оставили без ответа множество космологических вопросов. Прямое измерение внегалактического фонового света (EBL) также может обеспечить важные ограничения на интегрированную космологическую историю звездообразования, производства металла и пыли, а также преобразования звездного света в инфракрасное излучение пыли. [21]
Глядя на результаты DIRBE и FIRAS в диапазоне от 140 до 5000 мкм, мы можем обнаружить, что интегральная интенсивность EBL составляет ≈16 нВт /(м 2 ·ср). Это согласуется с энергией, выделяющейся при нуклеосинтезе , и составляет около 20–50% от общей энергии, выделяющейся при образовании гелия и металлов за всю историю Вселенной. Эта интенсивность, приписываемая только ядерным источникам, означает, что более 5–15% плотности барионной массы, предполагаемой анализом нуклеосинтеза Большого взрыва, было переработано в звездах в гелий и более тяжелые элементы. [21]
Были также значительные последствия для звездообразования . Наблюдения COBE дают важные ограничения на скорость космического звездообразования и помогают нам рассчитать спектр EBL для различных историй звездообразования. Наблюдения, проведенные COBE, требуют, чтобы скорость звездообразования при красном смещении z ≈ 1,5 была в 2 раза выше, чем та, которую следует из УФ-оптических наблюдений. Эта избыточная звездная энергия должна генерироваться в основном массивными звездами в еще не обнаруженных галактиках, окутанных пылью. или чрезвычайно пыльные области звездообразования в наблюдаемых галактиках. [21] Точная история звездообразования не может быть однозначно определена с помощью COBE, и в будущем необходимо провести дальнейшие наблюдения.
30 июня 2001 года НАСА запустило последующую миссию COBE под руководством заместителя главного исследователя DMR Чарльза Л. Беннета . Микроволновой зонд анизотропии Уилкинсона прояснил и расширил достижения COBE. После WMAP, исследования Европейского космического агентства, Планк продолжил увеличивать разрешение, с которым был нанесен на карту фон. [22] [23]
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 .
