Кіріспе

Оңтүстік полюс телескопы (South Pole Telescope, SPT) – Антарктидадағы Амундсен-Скот Оңтүстік полюс станциясында орналасқан телескоп. Телескоп электромагниттік спектрдің микротолқындық, миллиметрлік және субмиллиметрлік толқындық аймақтарында бақылаулар жүргізу үшін жасалған, оның ерекше мақсаты – ғарыштық микротолқындық фоннан (CMB) шығатын әлсіз, тараған сәулеленуді өлшеу. КМБ-мен өзара әрекеттесу арқылы алыстағы, массивті галактикалар шоқтарын табуға арналған SPT-нің алғашқы ірі зерттеуі 2011 жылдың қазан айында аяқталды. 2012 жылдың басында SPT-ге жаңа камера (SPTpol) орнатылды, ол одан да жоғары сезімталдыққа ие және кіретін жарықтың поляризациясын өлшеуге қабілетті. Бұл камера 2012–2016 жылдар аралығында жұмыс істеді және Оңтүстік аспанның жүздеген шаршы градусын қамтитын, бұрын-соңды болмаған терең, жоғары ажыратымды карталарды жасауға пайдаланылды. 2017 жылы телескопқа үшінші буынның SPT 3G камерасы орнатылды, ол SPTpol-мен салыстырғанда карта жасау жылдамдығын шамамен еселік арттырды. SPT ынтымақтастығына оннан астам (көбінесе Солтүстік Америкалық) мекеме кіреді, олардың ішінде Чикаго университеті, Калифорния университеті, Беркли, Кейс-Уэстерн Резерв университеті, Гарвард/Смитсонов астрофизикалық обсерваториясы, Колорадо университеті Боулдер, МакГилл университеті, Мичиган мемлекеттік университеті, Иллинойс университеті Урбана-Шампейн, Калифорния университеті, Дэвис, Мюнхеннің Людвиг Максимилиан университеті, Аргонн ұлттық зертханасы және Ферми ұлттық үдеткіш зертханасы бар. Ол Ұлттық ғылым қоры және Энергетика министрлігімен қаржыландырылады.

Оңтүстік полюсте микротолқындық және миллиметрлік толқындық бақылаулар

Оңтүстік полюс аймағы миллиметрлік толқын ұзындығындағы бақылаулар үшін әлемдегі ең басты бақылау орны болып табылады. Теңіз деңгейінен биік орналасқандықтан атмосферасы жұқа, ал суықтың күшті болуы ауадағы су буының мөлшерін азайтады. Бұл миллиметрлік толқын ұзындығында бақылау жасау үшін өте маңызды, себебі кіріп келетін сигналдар су буымен сіңірілуі мүмкін, ал су буы астрономиялық сигналдармен қабыстыратын сәуле шығаруы мүмкін. Күн күнделікті шығып-батуы болмағандықтан, полюстегі атмосфера ерекше тұрақты. Сонымен қатар, полярлық түн айларында миллиметрлік диапазонда күннен кедергі келмейді.

Телескоп

Телескоп – 10 метрлік (394 дюйм) диаметрлі, осқа қарама-қарсы грегориандық телескоп, альтазимут таушаймасында орналасқан (полюстерде альтазимут таушаймасы экваторлық таушаймаға тең). Ол үлкен көрініс өрісін (1 шаршы градустан асатын) қамтамасыз ету үшін, сонымен бірге жерден шашыраудың және телескоп оптикасынан себудің тудырған жүйелік қателерді азайту мақсатында жасалған. Телескоп айнасының беті шамамен 0,7 мм-ге дейін, яғни дюймнің мыңнан бір бөлігіне дейін тегіс, бұл миллиметрден кіші толқын ұзындығында бақылау жүргізуге мүмкіндік береді. SPT бақылау стратегиясының маңызды артықшылығы – телескоптың толыққанды сканерленуі, сондықтан сәуле телескоп айналарына қатысты жылмайды. Телескоптың жылдам сканерлеуі және оның кең көрініс өрісі SPT-ні аспанның үлкен аудандарын зерттеуде тиімді етеді, бұл SPT кластерлік зерттеулерінің және КСР (космикалық микротолқынды сәулелену) поляризациясының ғылыми мақсаттарына қол жеткізу үшін қажет.

SPT-SZ камерасы

SPT-ге орнатылған алғашқы камерада 960 элементтен тұратын суперөткізгіш ауысу жиегі сенсорларының (TES) болметрлік массиві болды, бұл оны құрылған ең ірі TES болметрлік массивтерінің біріне айналдырды. Бұл камераның фокустық жазықтығы (галактика шоғырларын олардың Суняев-Зельдович әсері арқылы зерттеуге арналғандықтан SPT SZ камерасы деп аталды) әрқайсысында 160 детектордан тұратын алты пирог пішіндес бөлікке бөлінді. Бұл бөліктер үш әртүрлі жиілікте байқау жүргізді: 95 ГГц, 150 ГГц және 220 ГГц. Фокустық жазықтықтың модулдік құрылымы оны әртүрлі жиілік конфигурацияларына бөлуге мүмкіндік берді. Камераның қызмет ету мерзімінің көп бөлігінде SPT SZ фокустық жазықтығында 95 ГГц-те бір бөлік, 150 ГГц-те төрт және 220 ГГц-те бір бөлік болды. SPT SZ камерасы негізінен оңтүстік аспанның 2500 шаршы градусын (20 сағаттан 7 сағатқа дейін оңтүстік бойламында, -65 градустан -40 градусқа дейін ендігінде) 150 ГГц жиілігінде 1 доғалық минуттық пикселде шамамен 15 микрокельвин шу деңгейіне дейін зерттеу үшін қолданылды.

SPTpol камерасы

SPT-ге орнатылған екінші камера – сонымен қатар суперөткізгіш TES массивтерімен жасалған – SPT SZ камерасына қарағанда тіпті сезімтал болды және ең бастысы, түскен жарықтың поляризациясын өлшеуге қабілетті болды (содан SPTpol – Оңтүстік полюс телескопының поляриметрі атауы шықты). 780 поляризацияға сезімтал пиксель (әрқайсысы екі бөлек TES болометрімен, әрқайсысы сызықтық поляризацияға сезімтал) 90 ГГц және 150 ГГц жиіліктерінде байқау жиіліктері арасында бөлінді, ал екі жиіліктегі пиксельдер әртүрлі детектор архитектурасымен жасалған. 150 ГГц пиксельдері Ұлттық Стандарттар және Технология Институтында монолиттік массивтерде жасалған, толқынды ағынды қосылыспен біріктірілген TES поляриметрлері болды. 90 ГГц пиксельдері Аргонн Ұлттық зертханасында әзірленген, жеке-жеке орамдалған, екі поляризациялық абсорберлі қосарланған поляриметрлер болды. 90 ГГц пиксельдері телескоп оптикасына жеке-жеке өңделген контурлы қоректендіру мүйіздері арқылы қосылды. SPTpol бақылауының бірінші жылы R.A. 23h30m, деклинация -55d орталығында 100 шаршы градус өрісті зерттеу үшін пайдаланылды. Келесі төрт жыл негізінен 500 шаршы градус аймақты зерттеуге жұмсалды, оның ішінде бастапқы 100 шаршы градус кіші жиынтық ретінде қамтылған. Бұл қазіргі уақытта миллиметрлік толқынды аспанның бірнеше шаршы градустан астам аумақты қамтитын ең терең, жоғары ажыратылатын карталары болып табылады, 150 ГГц жиілігіндегі шу деңгейі шамамен 5 микро Кельвин доға минуты және 100 шаршы градус өрісінде квадрат түбірінен екі есе терең.

SPT-3G камерасы

2017 жылдың қаңтар айында ҮШТ-ге үшінші буынның SPT 3G камерасы орнатылды. Оптикалық жүйені жақсартудың (дифракциялық шектелген көрініс өрісін едәуір кеңейту арқылы) және жаңа детектор технологиясының (бір пикселде бірнеше толқын ұзындығында детекторларды пайдалануға мүмкіндік беру арқылы) арқасында, SPT 3G детектор массиві SPTpol-ге қарағанда он есе көп сенсорларды қамтиды, бұл телескоп пен камераның белгілі бір аспан участасын берілген шу деңгейімен картаға түсіру жылдамдығын шамамен он есеге арттырады. Камера 90, 150 және 220 ГГц аралығында тең бөлінген 16 000-нан астам детектордан тұрады. 2018 жылы SPT 3G камерасын қолдана отырып, жаңа зерттеу жұмысы басталды. Бұл зерттеу 150 ГГц жиілігінде 3 микрокельвинге дейінгі доғалық минуттық тереңдікпен 1500 шаршы градус аймақты қамтуды көздеді. Маңыздысы, бұл аймақ BICEP массивінің бақылау аймағымен толыққандай сәйкес келеді, бұл SPT және BICEP деректерінің бірлескен талдауын жүргізуге мүмкіндік береді, соның нәтижесінде бастапқы гравитациялық толқындардан туындаған сигналға екі құралдың жеке-жеке бере алатын шектеулерге қарағанда әлдеқайда жақсы шектеулер қойылады.

Ғылыми мақсаттар мен нәтижелер

SPT-нің алғашқы маңызды жобасы 2011 жылдың қазанында аяқталды, ол галактикалар шоғырларын іздеу үшін 2500 шаршы градус көлемдегі зерттеу болды. Бұл зерттеу Суняев-Зельдович эффектісін пайдаланды – ғарыштық микротолқындық фондық сәулеленудің (CMB) бұрмалануы, ол CMB фотондары мен галактикалар шоғырындағы ішкі ортаның өзара әрекеттесуінен туындайды. Зерттеу нәтижесінде өте кең қызыл жылжу диапазонында жүздеген галактикалар шоғыры табылды. Бұл зерттеулердің нәтижелері, галактикалар шоғырларының қызыл жылжуының және массасының нақты бағалауларымен біріктірілгенде, қараңғы энергияның теңдеуіне қатысты маңызды шектеулер қоюға мүмкіндік береді. SPT SZ зерттеуінен алынған деректер сонымен қатар шамамен 5 доға минутынан кіші бұрыштық масштабта (2000-нан жоғары көпполюстік саны) CMB қуат спектрін ең сезімтал өлшеуге және алыс, гравитациялық линзалық, шаңды, жұлдыз құратын галактикалардың популяциясын анықтауға пайдаланылды. SPTpol камерасының деректері бірнеше маңызды өлшемдерді жүргізуге мүмкіндік берді, соның ішінде поляризацияланған CMB-ның «B режимі» немесе «айналмалы» компонентін алғаш рет анықтау. Бұл B режиміндегі сигнал кіші бұрыштық масштабтарда CMB-ның бастапқы «E режиміндегі» поляризациясының гравитациялық линзалауы арқылы (CMB пайда болған кездегі скалярлық тығыздық perturbationдарынан туындайды) және үлкен бұрыштық масштабтарда инфляция кезеңінде пайда болған гравитациялық толқындардың фонымен CMB-ның өзара әрекеттесуі арқылы туындайды. Үлкен масштабтағы B режиміндегі сигналдың өлшемдері инфляцияның энергия масштабын шектеуге және ғаламның физикасын оның ерте кезеңдерінде және ең жоғары энергия деңгейлерінде зерттеуге мүмкіндік береді, бірақ бұл өлшемдер линзалық B режимдерінен туындайтын бұзылыстармен шектеледі. Поляризацияның үлкен E режиміндегі компонентін және CMB линзалау потенциалын өлшеу арқылы линзалық B режимдерін бағалауға және үлкен масштабтағы өлшемдерді тазалауға болады. Бұл B режиміндегі линзаның жойылғаны алғаш рет SPTpol деректерін пайдалану арқылы көрсетілді. SPTpol деректері сонымен қатар CMB-ның E режиміндегі қуат спектрін және температура E режиміндегі корреляциялық спектрін ең дәл өлшеуге, сондай-ақ CMB линзалау потенциалын реконструкциялау арқылы болжамды зат тығыздығының карталарын жоғары сигналмен жасауға пайдаланылды. 1500 шаршы градус көлемдегі SPT 3G зерттеуі бірнеше ғылыми мақсаттарға жету үшін қолданылады, соның ішінде бастапқы гравитациялық толқындардың фонындағы B режиміндегі поляризацияны BICEP массивімен бірлесіп талдау, космологиялық және галактикалар шоғырларының эволюциясын зерттеу үшін алыс галактикалар шоғырларының бірегей үлгісін алу және нейтринолардың массасы және ерте ғаламдағы жеңіл реликт бөлшектерінің болуы сияқты фундаменталдық физикаға қатысты шектеулер қою. Атакама космологиялық телескобының ғылыми мақсаттары ұқсас, бірақ толықтырады.

Қаржыландыру

Оңтүстік полюс телескопы Ұлттық ғылым қорының Полярлық бағдарламалар кеңсесі және АҚШ Энергетика министрлігі арқылы қаржыландырылады, сондай-ақ Кавли қоры мен Гордон және Бетти Мур қорынан қосымша қолдау алады. SPTpol және SPT 3G құралдары мен жұмыстарына қаржыландыруды АҚШ Энергетика министрлігінің Ғылым басқармасы, Жоғары энергиялық физика басқармасы да қамтамасыз етеді.

Операциялар

2007 жылғы 16 ақпанда Оңтүстік полюс телескопы алғашқы жарыққа қол жеткізді. Ресми ғылыми бақылаулар 2007 жылдың наурыз айында басталды. 2007 жылғы оңтүстік қысында Стивен Падин мен Зак Станишевский басшылығымен іске қосылу бақылаулары мен алғашқы шағын зерттеу аяқталды. 2008 жылы қысқы командалармен үлкен зерттеу алаңдары аяқталды. 2009 жылдың желтоқсан айында камера 2010 жылғы бақылау маусымы үшін жаңартылды. 2500 шаршы градус көлемді SPT SZ зерттеуі 2010 және 2011 жылғы бақылау маусымдарында Дана Хрубс және Дэниел Луонг Ван қысқы командасымен аяқталды. SPTpol камерасымен алғашқы жарық (алғашқы бақылау) 2012 жылдың 27 қаңтарында тіркелді. Бақылаудың алғашқы маусымында Синтия Чианг пен Николас Хуан қысқы командасы 100 шаршы градус алаңнан деректер жинады. 2013 жылы Дана Хрубс және Джейсон Галличчо SPTpol зерттеуінің толық бөлігі ретінде үлкен алаңды зерттеуді жүргізді. Бұл үлкен зерттеуді 2014 жылы Роберт Ситрон және Николас Хуан, 2015 жылы Чарли Сиверс және Тодд Вич, ал 2016 жылы Кристин Корбетт Моран және Эми Ловиц қысқы командалары аяқтады. SPT 3G бақылауының алғашқы қысын Дэниел Михалик пен Эндрю Надольски қысқы командасы жүргізді. 2018 жылы Адам Джонс пен Джошуа Монтгомери, 2019 жылы Дуглас Хоу мен Дэвид Рибель, 2020 жылы Джефф Чен және Аллен Фостер, 2021 жылы Саша Ралин мен Мэтт Янг, 2022 жылы Аман Чокши мен Аллен Фостер, ал 2023 жылы Кайл Фергюсон мен Алекс Поллак қыстады.