Введение
Спутник NASA программы Explorer
Космический фоновый исследователь (COBE, произносится /ˈkoʊbiː/), также известный как Explorer 66, представлял собой спутник NASA, предназначенный для космологических исследований, который функционировал с 1989 по 1993 год. Его целью было изучение космического микроволнового фонового излучения (CMB или CMBR) Вселенной и получение измерений, которые помогли бы сформировать наше понимание космоса. Измерения, полученные с помощью COBE, предоставили два ключевых доказательства в поддержку теории Большого взрыва: близость спектра CMB к спектру абсолютно черного тела и наличие в нем очень слабых анизотропий. Два ведущих исследователя проекта COBE, Джордж Ф. Смут и Джон К. Мэтер, были удостоены Нобелевской премии по физике в 2006 году за свою работу. По мнению Нобелевского комитета, "проект COBE также можно рассматривать как начало развития космологии как точной науки". COBE стал вторым спутником для изучения космического микроволнового фона, после аппарата "Реликт-1", а за ним последовали два более совершенных космических аппарата: зонд "Wilkinson Microwave Anisotropy Probe" (WMAP), работавший с 2001 по 2010 год, и космический аппарат "Planck" с 2009 по 2013 год.
Миссия
Целью миссии "Исследователь космического фона" (COBE) было проведение точных измерений диффузного излучения в диапазоне от 1 микрометра и по всей небесной сфере. Были измерены следующие величины: (1) спектр 3 K излучения в диапазоне длин волн от 100 микрометров до ; (2) анизотропия этого излучения в диапазоне от 3 до ; и (3) спектр и угловое распределение диффузного инфракрасного фонового излучения на длинах волн от 1 до 300 микрометров.
История
В 1974 году НАСА опубликовало объявление о возможности участия в астрономических миссиях, использующих небольшой или средний космический аппарат Explorer. Из 121 полученного предложения три были посвящены изучению космического микроволнового фонового излучения. Хотя эти предложения уступили Инфракрасному астрономическому спутнику (IRAS), их значимость побудила НАСА продолжить изучение этой идеи. В 1976 году НАСА сформировало комитет из представителей каждой из трех команд, представивших предложения в 1974 году, для объединения их идей относительно такого спутника. Год спустя этот комитет предложил запустить полярно-орбитальный спутник COBE с помощью ракеты-носителя Delta 5920-8 или космического шаттла. Он должен был включать в себя следующие приборы:
Экспериментальный модуль
Экспериментальный модуль содержал приборы и девар, заполненный жидким гелием при 1,6 К, с коническим солнцезащитным экраном. Базовый модуль содержал системы управления ориентацией, связи и электропитания. Спутник вращался со скоростью 1 об/мин вокруг оси симметрии для контроля систематических ошибок при измерениях анизотропии и для проведения наблюдений зодиакального света под различными углами солнечного удлинения. Ориентация оси вращения поддерживалась в направлении, противоположном Земле, и под углом 94° к линии Солнце-Земля. Рабочая орбита была синхронной относительно восхода и захода Солнца, так что Солнце всегда находилось сбоку и, следовательно, было защищено от приборов. Благодаря этой орбите и ориентации оси вращения, приборы выполняли полное сканирование небесной сферы каждые шесть месяцев. Эксплуатация приборов была прекращена 23 декабря 1993 года. С января 1994 года планировалось завершить инженерные работы в течение этого же месяца, после чего управление космическим аппаратом будет передано в Wallops Flight Facility (WFF) для использования в качестве испытательного спутника.
Эксперимент с рассеянным инфракрасным фоном (DIRBE)
Диффузный инфракрасный фоновый эксперимент (DIRBE) состоит из криогенно охлажденного (до 2 К) многодиапазонного радиометра, предназначенного 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 под углом 30° от оси вращения. Детекторы (фотопроводники) и фильтры для каналов от 8 до 100 микрометров аналогичны используемым в миссии IRAS. Для каналов с наибольшей длиной волны (120–300 микрометров) используются болометры. Чувствительность DIRBE составит менее 2 × 10¹² Вт/(см²·стр) в каналах 1–3. В каналах 4–8 будет достигнута чувствительность 6 × 10¹³ Вт/(см²·стр), а в каналах 9 и 10, благодаря менее чувствительным болометрам, но большему светосбору, – 4 × 10¹² Вт/(см²·стр). Эти значения достижимы при использовании существующих детекторов, охлажденных до температуры, близкой к температуре криостата, около 1,6 К. Телескоп представляет собой хорошо экранированный, смещенный от оси, григорианский коллектор потока с перефокусировкой изображения. Масса прибора составляет около [значение отсутствует в оригинале], потребляемая мощность – 100 Вт, а скорость передачи данных – 1700 бит/с.
Дальнее инфракрасное абсолютное спектрофотометры (FIRAS)
Дальнее инфракрасный абсолютный спектрофотометр (FIRAS) — криогенно охлажденный поляризующий интерферометр Микельсона, используемый как спектрометр преобразования Фурье. Прибор ориентирован вдоль оси вращения и имеет поле зрения 7°. Это устройство измеряет спектр с точностью до 1/1000 от пикового потока для каждого 7° поля зрения на небе (в диапазоне от 0,1 до 5). FIRAS использует специальный расклешенный рупорный приемник потока с очень низким уровнем боковых лепестков и внешний калибратор, охватывающий весь луч; требуется прецизионное регулирование температуры и калибровка. Прибор имеет дифференциальный вход для сравнения сигнала с неба с внутренним эталоном при 3 К. Эта особенность обеспечивает устойчивость к систематическим ошибкам спектрометра и существенно способствует возможности обнаружения малых отклонений от спектра абсолютно черного тела. Масса прибора составляет , он потребляет 84 Вт и имеет скорость передачи данных 1200 бит/с.
Инструменты
+ Инструменты Инструмент Акроним Описание Главный исследователь Дифференциальный микроволновый радиометр DMR Микроволновый инструмент для картирования вариаций (или анизотропии) в космическом микроволновом фоновом излучении (CMB) Джордж Ф. Смут Диффузный инфракрасный эксперимент на фоне DIRBE Многоволновой инфракрасный детектор, используемый для картирования пылевого излучения Майк Хаузер Дальний инфракрасный абсолютный спектрофотометр FIRAS Спектрофотометр, используемый для измерения спектра CMB Джон К. Мэтер
NASA приняло предложение при условии, что стоимость не превысит 30 миллионов долларов США, не считая ракеты-носителя и анализа данных. Из-за превышения сметы в программе Explorer, связанного с IRAS, работы по строительству спутника в Центре космических полетов Годдарда (GSFC) начались только в 1981 году. Для экономии средств инфракрасные детекторы и криостат с жидким гелием на COBE были аналогичны используемым на Инфракрасном астрономическом спутнике (IRAS). Первоначально планировалось запустить COBE на миссии космического шаттла STS 82 B в 1988 году с авиабазы Ванденберг, но взрыв шаттла "Челленджер" и последующая приостановка полетов шаттлов сорвали эти планы. NASA не позволило инженерам COBE обращаться в другие космические компании для запуска COBE, и в итоге модернизированный COBE был выведен на солнечно-синхронную орбиту 18 ноября 1989 года с помощью ракеты-носителя Delta. 23 апреля 1992 года ученые COBE объявили на апрельской встрече APS в Вашингтоне (округ Колумбия) об обнаружении "первичных флуктуаций" (анизотропии CMB) в данных, полученных с прибора DMR; до этого момента другие инструменты "не могли выделить базовый сигнал". На следующий день газета The New York Times опубликовала статью на первой странице, объясняя это открытие как "первое свидетельство того, как изначально гладкая Вселенная эволюционировала в сегодняшнюю панораму звезд, галактик и гигантских скоплений галактик". Нобелевская премия по физике 2006 года была совместно присуждена Джону К. Мэтеру из NASA Goddard Space Flight Center и Джорджу Ф. Смуту из Калифорнийского университета в Беркли "за открытие спектра черного тела и анизотропии космического микроволнового фонового излучения".
Космический корабль
COBE был спутником класса Explorer, с технологией, заимствованной в значительной степени из IRAS, но с некоторыми уникальными характеристиками. Необходимость контроля и измерения всех источников систематических ошибок потребовала строгой и интегрированной конструкции. COBE должен был функционировать не менее 6 месяцев, ограничивая радиопомехи от Земли, самого COBE и других спутников, а также радиационные помехи от Земли, Солнца и Луны. Приборам требовалась стабильность температуры и поддержание усиления, а также высокая степень чистоты для уменьшения попадания рассеянного света и теплового излучения от частиц. Для контроля систематических ошибок при измерении анизотропии космического микроволнового фона (CMB) и измерения зодиакального облака под различными углами элонгации для последующего моделирования требовалось, чтобы спутник вращался со скоростью 0,8 оборота в минуту, что согласуется с последующими измерениями, выполненными экспериментом BOOMERanG. Однако ряд других экспериментов пытался воспроизвести их результаты, но не смог этого сделать. В эксперименте с зондирующей ракетой они обнаружили избыточную яркость на длинах волн 0,5 и более. На фоне этих разработок ученые с нетерпением ждали результатов, полученных прибором FIRAS. Результаты FIRAS оказались поразительными: они показали идеальное соответствие CMB и теоретической кривой для абсолютно черного тела при температуре 2,7 К, тем самым опровергнув результаты, полученные в Беркли и Нагое. Измерения FIRAS проводились путем измерения спектральной разницы между участком неба в 7° и внутренним абсолютно черным телом. Интерферометр FIRAS охватывал диапазон от 2 до 95 см−1 в двух полосах, разделенных интервалом в 20 см−1. Существует две длины сканирования (короткая и длинная) и две скорости сканирования (быстрая и медленная), что в сумме дает четыре различных режима сканирования. Данные собирались в течение десяти месяцев.
Внутренняя анизотропия CMB
DMR смог в течение четырех лет составлять карты обнаруживаемой анизотропии космического микроволнового фона, поскольку это был единственный прибор, не зависящий от подачи гелия из криостата для поддержания охлаждения. Эта работа позволила создать карты всего неба, отображающие космический микроволновый фон, путём вычитания галактического излучения и диполя на различных частотах. Флуктуации космического микроволнового фона чрезвычайно слабы, составляя лишь одну часть на 100 000 по сравнению со средней температурой излучения в 2,73 К. Космическое микроволновое фоновое излучение является реликтовым излучением Большого взрыва, а флуктуации – это отпечаток контраста плотности в ранней Вселенной. Считается, что эти колебания плотности послужили причиной формирования структур, которые мы наблюдаем во Вселенной сегодня: скоплений галактик и огромных пустых областей, лишённых галактик.
Обнаружение ранних галактик
DIRBE также обнаружил 10 новых галактик, излучающих в дальнем инфракрасном диапазоне в области, не охваченной обзором IRAS, а также девять других кандидатов в слабом дальнем инфракрасном диапазоне, которые могут быть спиральными галактиками. Галактики, обнаруженные на длинах волн 140 и 240 мкм, позволили получить информацию о очень холодной пыли (VCD). На этих длинах волн можно определить массу и температуру VCD. При объединении этих данных с данными, полученными от IRAS на длинах волн 60 и 100 мкм, было установлено, что излучение в дальнем инфракрасном диапазоне исходит от холодной (≈17–22 K) пыли, связанной с диффузными облаками цирруса в области H I, от 15–30% холодной (≈19 K) пыли, связанной с молекулярным газом, и менее чем от 10% теплой (≈29 K) пыли в протяженных областях H II с низкой плотностью.
ДИРБЕ
Помимо открытий, сделанных DIRBE в отношении галактик, прибор внес два других значительных вклада в науку. Вторым вкладом DIRBE стала модель галактического диска, видимого с нашей позиции как с ребра. Согласно модели, если Солнце находится на расстоянии 8,6 кпс от Галактического центра, то оно расположено на 15,6% выше средней плоскости диска, который имеет радиальную и вертикальную протяжённости 2,64 и 0,333 кпс соответственно, и искривлено таким образом, что соответствует слою нейтрального водорода (HI). Признаков толстого диска также не обнаружено. Для создания этой модели необходимо было исключить вклад межпланетной пыли (IPD) из данных DIRBE. Было установлено, что это облако, которое с Земли наблюдается как зодиакальный свет, сосредоточено не на Солнце, как предполагалось ранее, а в точке пространства, находящейся в несколько миллионов километров от него. Это обусловлено гравитационным влиянием Сатурна и Юпитера. Анализ результатов, полученных с помощью DIRBE и FIRAS в диапазоне длин волн от 140 до 5000 мкм, позволяет установить, что интенсивность интегрированного излучения внегалактического фона (EBL) составляет ≈16 нВт/(м²·ср). Это согласуется с энергией, высвобождаемой в процессе нуклеосинтеза, и составляет примерно 20–50% от общей энергии, выделяющейся при образовании гелия и металлов на протяжении всей истории Вселенной. Если учитывать только ядерные источники, то эта интенсивность указывает на то, что более 5–15% плотности барионной массы, вычисленной на основе анализа нуклеосинтеза Большого взрыва, было переработано в звездах в гелий и более тяжёлые элементы.