Кіріспе

Explorer бағдарламасының NASA спутнигі Космикалық фонды зерттеуші (COBE '/k//oʊ//b//i/ KOHbee), сонымен қатар Explorer 66 деп те аталады, 1989 жылдан 1993 жылға дейін жұмыс істеген NASA спутнигі. Оның мақсаты – ғаламның космостық микротолқынды сәулеленуін (КМС немесе КМСР) зерттеу және ғалам туралы білімімізді қалыптастыруға көмектесетін өлшемдер ұсыну. COBE өлшемдері ғаламның Ұлы жарылыс теориясын қолдайтын екі маңызды дәлел ұсынды: КМС дерлік идеал қара дене спектріне ие және оның өте әлсіз анизотропиялары бар. COBE-тің екі жетекші ғалымы Джордж Ф. Смут және Джон С. Мэтер 2006 жылы жобадағы жұмыстары үшін Нобель сыйлығын алды. Нобель сыйлығы комитетінің мәлімдемесіне сәйкес, «COBE жобасын космологияның нақты ғылым ретінде басталуы деп қарастыруға болады». COBE, RELIKT 1 спутнигінен кейін ғарыштық микротолқынды фонды зерттеген екінші спутник болды, одан кейін екі жетілдірілген ғарыш кемесі келді: 2001 жылдан 2010 жылға дейін жұмыс істеген Уилкинсон микротолқынды анизотропиялық зонды (WMAP) және 2009 жылдан 2013 жылға дейін жұмыс істеген Планк ғарыш кемесі.

Миссия

Космикалық фонды зерттеуші (COBE) миссиясының мақсаты – 1 микрометрден бастап және бүкіл аспан сферасындағы диффузиялық сәулеленуді дәл өлшеу болды. Төмендегі шамалар өлшенді: (1) 3 K сәулеленуінің 100 микрометрден бастапғы спектрі; (2) осы сәулеленудің 3-тен бастапғы анизотропиясы; және (3) 1-ден 300 микрометрге дейінгі толқын ұзындықтарындағы диффузды инфрақызыл фондық сәулеленудің спектрі мен бұрыштық таралуы.

Тарих

1974 жылы НАСА шағын немесе орта көлемді Explorer ғарыш кемесін пайдаланатын астрономиялық миссияларға қатысты мүмкіндіктер туралы хабарлама жариялады. Алған 121 ұсыныстың үшеуі космологиялық фондық сәулеленуді зерттеуге арналған болды. Бұл ұсыныстар инфрақызыл астрономиялық спутникке (IRAS) ұтылып қалғанмен, олардың маңыздылығы НАСА-ны осы идеяны одан әрі зерттеуге итермеледі. 1976 жылы НАСА мұндай спутникқа қатысты идеяларын біріктіру үшін 1974 жылғы үш ұсыныстың әрқайсысынан мүшелерді қамтитын комиссия құрды. Бір жыл өткен соң, бұл комиссия Delta 5920 8 ұшыру құралымен немесе Space Shuttle арқылы ұшырылатын полярлық орбитадағы COBE атты спутникті ұсынды. Оның құрамында келесі құралдар болады:

Эксперименттік модуль

Эксперименттік модуль құралдарды және 1.6 К сұйық гелиймен толтырылған, конустық күн көлеңкесі бар деварды қамтыды. Негізгі модульде бағытталған басқару, байланыс және қуат жүйелері орналасқан. Спутник анизотропиялық өлшемдердегі жүйелік қателерді бақылау және әртүрлі күнге қатысты бұрыштарда зодиак жарығын бақылау үшін симметрия осі бойынша минутына 1 айналыммен айналды. Айналу осі Жерге қарама-қарсы және Күн-Жер сызығына 94° бұрышпен бағытталды. Операциялық орбита таңертең мен кешпен күнмен синхронды болды, сондықтан Күн әрқашан жанында болды және осылайша құралдардан қорғалды. Осы орбита және айналу осінің бағытымен құралдар әр алты ай сайын аспан сферасын толық сканерледі. Құралдардың жұмысы 1993 жылдың 23 желтоқсанында тоқтатылды. 1994 жылдың қаңтарында инженерлік жұмыстар сол айда аяқталуға тиіс еді, содан кейін ғарыш кемесінің басқаруы Wallops Flight Facility (WFF) сынақ спутнигі ретінде пайдалану үшін берілді.

Диффузиялық инфрақызыл фондық эксперимент (DIRBE)

Диффузиялық инфрақызыл фондық эксперимент (DIRBE) – 1-ден 300 микрометрге дейінгі диапазондағы диффузиялық инфрақызыл сәулеленуді зерттеуге арналған, 2 К-қа дейін криогендік түрде салқындатылған көп жолақты радиометрден тұрады. Аспап 1° көру бұрышымен және айналу осінен 30° бұрылыспен 10 толқын ұзындығы жолағында абсолюттік ағынды өлшейді. 8-ден 100 микрометрге дейінгі каналдардағы детекторлар (фотоөткізгіштер) мен сүзгілер IRAS миссиясындағылармен бірдей. Ең ұзын толқын ұзындығы каналы үшін (120-ден 300 микрометрге дейін) болометрлер қолданылады. DIRBE-нің сезімталдығы 1-ден 3-ке дейінгі каналдарда 2E 12 Вт/(см²·ср)-ден жоғары болады. 4-тен 8-ге дейінгі каналдар 6E 13-ке жетеді, ал 9-шы және 10-шы каналдар, олардың сезімталдығы төмен болса да, үлкен этиендуіне ие, 4E 12-ге жетеді. Бұл шектерге 1,6 К криостат температурасына дейін салқындатылған қолданыстағы детекторлармен қол жеткізуге болады. Телескоп – жақсы қоршалған, осі жоқ, қайта бейнелеуге ие Грегориандық ағын жинағыш. Аспаптың салмағы шамамен қолданылатын қуаты 100 Вт, ал деректерді беру жылдамдығы 1700 бит/с.

Қиын инфрақызыл абсолюттік спектр фотометр (FIRAS)

Қиыр инфрақызыл абсолюттік спектрофотометр (FIRAS) – криогендік суытылған поляризациялық Микельсон интерферометрі, Фурье түрлендіру спектрометрі ретінде қолданылады. Аспап айналу осі бойымен бағытталған және 7° көру бұрышына ие. Бұл құрылғы аспандағы әрбір 7° көру бұрышы үшін спектрді максималды ағынның 1/1000-і дәлдігімен өлшейді (0,1-ден дейін). FIRAS арнайы кеңейтілген мүйіз тәрізді ағын жинағышты пайдаланады, оның жанама сәулелену деңгейі өте төмен және толық сәулелі аймақты қамтитын сыртқы калибрлегіш бар; температураны нақты реттеу және калибрлеу қажет. Аспапта аспанды 3 К температурадағы ішкі эталонмен салыстыруға арналған дифференциалдық кіріс бар. Бұл мүмкіндік спектрометрдегі жүйелік қателерден қорғайды және қара дене спектрінен шағын ауытқуларды анықтау қабілетіне маңызды үлес қосады. Аспаптың салмағы , ол 84 ватт қуатты пайдаланады және деректерді беру жылдамдығы 1200 бит/с құрайды.

Құралдар

+Instruments Instrument Acronym Description Principal Investigator Differential Microwave Radiometer DMR Космикалық микротолқынды фондық сәулеленудің (CMB) өзгеруін (немесе анизотропиясын) картаға түсіретін микротолқынды құрал Джордж Ф. Смут Диффузиялық инфрақызыл фондық эксперимент DIRBE Тозан шығарылымын картаға түсіруге арналған көп толқынды инфрақызыл детектор Майк Хаузер Қашық инфрақызыл абсолюттік спектрофотометр FIRAS КМБ спектрін өлшеуге қолданылатын спектрофотометр Джон К. Мэтэр NASA ұсынысты, іске қосу және деректерді талдаудан басқа, шығындар 30 миллион АҚШ долларынан аспаса қабылдады. ИРАС-қа байланысты Explorer бағдарламасының шығындары артып кеткендіктен, Годдард ғарыш ұшу орталығында (GSFC) спутникті құрастыру жұмыстары 1981 жылға дейін басталмады. Құнына үнемдеу үшін COBE-дегі инфрақызыл детекторлар мен сұйық гелий девары Инфрақызыл астрономиялық спутнигіндегі (IRAS) детекторларға ұқсас болады. COBE бастапқыда 1988 жылы Ванденберг әуе күштері базасынан Space Shuttle миссиясы STS 82 B арқылы ұшырылуы жоспарланған, бірақ Challenger жарылысы шаттлдар тоқтатылғанда бұл жоспарды кейінге шегерді. NASA COBE инженерлеріне COBE-ді ұшыру үшін басқа ғарыш компанияларына баруға рұқсат бермеді, және ақырында қайта жобаланған COBE 1989 жылғы 18 қарашада Delta ұшыру құралымен Күнмен синхронды орбитаға шығарылды. 1992 жылғы 23 сәуірде COBE ғалымдары Вашингтонда өткен APS сәуірлік мәжілісінде DMR құралының деректерінен "алғашқы тұқымдарды" (CMBE анизотропиясы) тапқандықтарын жариялады; сол кезге дейін басқа құралдар "үлгіні көре алмады". Келесі күні "Нью-Йорк Таймс" газеті бұл жаңалықты бірінші бетке шығарып, жаңалықты "бастапқыда тегіс болған ғаламның бүгінгі жұлдыздар, галактикалар және алып галактикалар шоғырының панорамына қалай дамығанын көрсететін алғашқы дәлел" деп түсіндірді. 2006 жылғы физика саласындағы Нобель сыйлығы NASA Годдард ғарыш ұшу орталығынан Джон К. Мэтэр мен Берклидегі Калифорния университетінен Джордж Ф. Смутқа "космостық микротолқынды фондық сәулеленудің қара дене пішіні мен анизотропиясын ашқандары үшін" бірлесіп табысталды.

Ғарыш кемесі

COBE – Explorer класындағы спутник болды, технологиясы көбінесе IRAS-тан алынған, бірақ ерекше сипаттамалары да болды. Жүйелі қателердің барлық көздерін бақылау және өлшеу қажеттілігі қатаң және біріктірілген жобалауды талап етті. COBE кем дегенде 6 ай бойы жұмыс істеуі керек еді, сондай-ақ жерден, COBE және басқа спутниктерден келетін радиокедергілердің мөлшерін, Жер, Күн және Айдан таралатын радиациялық кедергілерді шектеуі керек еді. Аспаптар температураның тұрақтылығын және күшейтуді сақтауды, сондай-ақ бөлшектерден келетін шашыраңқы жарық пен жылу шығарылымдарын азайту үшін жоғары тазалықты талап етті. КМБ анизотропиясын өлшеудегі жүйелі қателерді бақылау қажеттілігі және одан кейінгі модельдеу үшін зодиактық бұлтты әртүрлі созылу бұрыштарында өлшеу спутниктің 0,8 айналым/мин жылдамдықпен айналуын талап етті. Бұл BOOMERanG экспериментімен жасалған кейінгі өлшемдермен сәйкес келді. Дегенмен, басқа да эксперименттер олардың нәтижелерін қайталауға тырысты, бірақ сәтті болмады. Зымыранмен жасалған эксперимент кезінде олар 0,5 және толқын ұзындықтарында артық жарқылықты анықтады. Осы жетістіктер COBE миссиясының алғышарты болды, соның салдарынан ғалымдар FIRAS-тың нәтижелерін асыға күтті. FIRAS-тың нәтижелері таң қалдырды, себебі олар КМБ мен 2,7 К температурадағы қара дененің теориялық қисығы арасындағы толық сәйкестікті көрсетті, осылайша Беркли-Нагоя нәтижелерінің дұрыс еместігін дәлелдеді. FIRAS өлшемдері аспанның 7° бөлігі мен ішкі қара дененің спектрлік айырмашылығын өлшеу арқылы жүзеге асырылды. FIRAS-тағы интерферометр 2 және 95 см-1 аралығын, 20 см-1 аралықта бөлінген екі жолақта қамтиды. Екі сканерлеу ұзындығы (қысқа және ұзақ) және екі сканерлеу жылдамдығы (жоғары және төмен) бар, барлығы төрт түрлі сканерлеу режимі бар. Деректер он ай бойы жиналды.

КМБ-ның ішкі анизотропиясы

DMR төрт жыл бойы ғаламдық фондық сәулеленудің анықталатын анизотропиясын картаға түсіре алды, себебі оны салқындату үшін девардың гелийге тәуелді емес жалғыз құрал болды. Бұл операция галактикалық эмиссияны және әртүрлі жиіліктердегі дипольді алып тастау арқылы КМБ-ның толық аспан картасын жасауға мүмкіндік берді. Космикалық микротолқындық фондық флуктуациялар өте әлсіз, сәулелену өрісінің 2,73 К орташа температурасына қарағанда 100 000-нан бір бөлігі ғана. Космикалық микротолқындық фондық сәулелену – Ұлы жарылыстың қалдығы, ал флуктуациялар – ерте ғаламдағы тығыздық контрастының іздері. Тығыздық толқындары бүгінгі күні ғаламда байқалатын құрылымның қалыптасуына себеп болды деп саналады: галактикалардың шоғырлары және галактикалар жоқ кеңістіктер.

Ерте галактикаларды анықтау

DIRBE сонымен қатар IRAS зерттеуіне кірмеген аймақта 10 жаңа алыс IR сәуле шығаратын галактикаларды, сондай-ақ әлсіз алыс IR сәулелерінде спиральді галактикалар болуы мүмкін 9 кандидатты анықтады. 140 және 240 мкм толқын ұзындығында анықталған галактикалар өте суық шаң (VCD) туралы ақпарат беруге мүмкіндік берді. Осы толқын ұзындықтарында VCD-ның массасы мен температурасын есептеуге болады. Бұл деректерді IRAS-тан алынған 60 және 100 мкм деректерімен біріктіргенде, алыс инфрақызыл сәулеленудің диффузды H I аймағындағы цирр бұлттарымен байланысты суық (≈17–22 K) шаңнан, молекулалық газбен байланысты суық (≈19 K) шаңнан 15–30% және кеңейтілген төмен тығыздықтағы H II аймақтарындағы жылы (≈29 K) шаңнан 10% азырақ пайда болатыны анықталды.

DIRBE

DIRBE-ның галактикалар туралы тапқандарынан өзге, ол ғылымға тағы екі маңызды үлес қосты. DIRBE-ның екінші үлесі – біздің орнымыздан шетінен көрінетін галактикалық дискінің моделі. Модельге сәйкес, егер Күн Галактикалық орталықтан 8,6 кпк қашықтықта болса, онда ол дискінің ортаңғы жазықтығынан 15,6% жоғары орналасқан. Дискінің радиалдық және вертикальдық масштабтары тиісінше 2,64 және 0,333 кпк-қа тең, сондай-ақ ол HI қабатымен үйлесетіндей қисайған. Қалың дискінің белгілері де жоқ. Бұл модельді жасау үшін DIRBE деректерінен IPD-ні алып тастау қажет болды. Осы бұлттың, Жерден қарағанда Зодиак жарығы болып көрінетіні анықталды, ол бұрынғыдай Күнге емес, ғарыштағы бірнеше миллион километр қашықтықтағы нүктеге ортасталған. Бұл Сатурн мен Юпитердің гравитациялық әсерінен туындайды. DIRBE және FIRAS деректерінен 140-тан 5000 мкм-ге дейінгі толқын ұзындығында қарағанда, интегралды EBL интенсивтілігі ≈16 нВт/(м2·ср) екенін анықтаймыз. Бұл ядролық синтез кезінде бөлінген энергиямен сәйкес келеді және ғаламның тарихында гелий мен металдардың қалыптасуы кезінде бөлінген жалпы энергияның шамамен 20–50% құрайды. Ядролық көздерге байланысты бұл интенсивтілік, Ұлы жарылыс нуклеосинтезі талдауы бойынша, барьондық масса тығыздығының 5–15% астамы жұлдыздарда гелий мен ауыр элементтерге айналғанын көрсетеді.