Kosmiczny Eksplorator Tła - Cosmic Background Explorer
 Koncepcja artysty statku kosmicznego COBE
| |||||||||
| Nazwy | Odkrywca 66 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Typ misji | Astronomia CMBR | ||||||||
| Operator | NASA | ||||||||
| ID COSPAR | 1989-089A | ||||||||
| SATCAT nr. | 20322 | ||||||||
| Stronie internetowej | lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe | ||||||||
| Czas trwania misji | Finał: 4 lata, 1 miesiąc, 5 dni | ||||||||
| Właściwości statku kosmicznego | |||||||||
| Producent | GSFC | ||||||||
| Uruchom masę | 2270 kg (5000 funtów) | ||||||||
| Sucha masa | 1408 kg (3104 funtów) | ||||||||
| Wymiary | 5,49 × 2,44 m (18,0 × 8,0 stóp) | ||||||||
| Moc | 542 W | ||||||||
| Początek misji | |||||||||
| Data uruchomienia | 18 listopada 1989, 14:34 UTC | ||||||||
| Rakieta | Delta 5920-8 | ||||||||
| Uruchom witrynę | SLC-2W Vandenberg | ||||||||
| Koniec misji | |||||||||
| Sprzedaż | Wycofany z eksploatacji | ||||||||
| Dezaktywowany | 23 grudnia 1993 | ||||||||
| Parametry orbitalne | |||||||||
| System odniesienia | Geocentryczny | ||||||||
| Reżim | Synchroniczny ze słońcem | ||||||||
| Półoś wielka | 7255 km (4508 mil) | ||||||||
| Ekscentryczność | 0,0009394 | ||||||||
| Wysokość perygeum | 877,8 km (545,4 mil) | ||||||||
| Wysokość apogeum | 891,4 km (553,9 mil) | ||||||||
| Nachylenie | 98.9808 stopni | ||||||||
| Okres | 102,5 minuty | ||||||||
| RAAN | 215,4933 stopni | ||||||||
| Argument perygeum | 52.8270 stopni | ||||||||
| Średnia anomalia | 351.1007 stopni | ||||||||
| Średni ruch | 14.04728277 obr/dzień | ||||||||
| Epoka | 21 lipca 2015, 15:14:58 UTC | ||||||||
| Rewolucja nr. | 31549 | ||||||||
| Główny teleskop | |||||||||
| Rodzaj | poza osią gregoriańską (DIRBE) | ||||||||
| Średnica | 19 cm (7,5 cala) | ||||||||
| Długości fal | kuchenka mikrofalowa , podczerwień | ||||||||
| Instrumenty | |||||||||
| |||||||||
 Logo NASA COBE | |||||||||
COBE ( COBE / K oʊ b I / ), również określany jako Explorer 66 był satelita dedykowany kosmologii , która działa od 1989 do 1993. Jego celem było zbadanie promieniowania kosmicznego, promieniowania tła (CMB) z wszechświat i zapewnić pomiary, które pomogą kształtować naszą wiedzę na temat kosmosu .
Pomiary COBE dostarczyły dwóch kluczowych dowodów wspierających teorię Wielkiego Wybuchu we Wszechświecie: CMB ma prawie idealne widmo ciała doskonale czarnego i ma bardzo słabe anizotropie . Dwóch głównych badaczy COBE, George Smoot i John Mather , otrzymało w 2006 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za pracę nad projektem. Według komitetu Nagrody Nobla „projekt COBE można również uznać za punkt wyjścia dla kosmologii jako nauki o precyzji”.
COBE był drugim satelitą CMB, po RELIKT-1 , a po nim pojawiły się dwa bardziej zaawansowane statki kosmiczne: Wilkinson Microwave Anisotropy Probe eksploatowany w latach 2001-2010 oraz statek kosmiczny Planck w latach 2009-2013.
Historia
W 1974 r. NASA wydała ogłoszenie o możliwościach misji astronomicznych, które wykorzystywałyby mały lub średni statek kosmiczny Explorer . Spośród 121 otrzymanych propozycji trzy dotyczyły badania kosmologicznego promieniowania tła. Chociaż te propozycje przegrały z podczerwonym satelitą astronomicznym (IRAS), ich siła skłoniła NASA do dalszego zbadania pomysłu. W 1976 r. NASA utworzyła komitet członków każdego z trzech zespołów propozycji z 1974 r., aby zebrać swoje pomysły na takiego satelitę. Rok później komisja ta zaproponowała wystrzelenie satelity na orbitę polarną o nazwie COBE za pomocą rakiety Delta lub wahadłowca kosmicznego . Zawierałby następujące instrumenty:
| Instrument | Akronim | Opis | Główny śledczy |
|---|---|---|---|
| Różnicowy radiometr mikrofalowy | DMR | mikrofalowa narzędziem, które map odmian (lub anizotropii) w CMB | George Smoot |
| Spektrofotometr absolutny dalekiej podczerwieni | FIRAS | spektrofotometr służący do pomiaru widma CMB | John Mather |
| Eksperyment w tle rozproszonej podczerwieni | DIRBE | detektor podczerwieni o wielu długościach fal służący do mapowania emisji pyłu | Mike Hauser |
NASA zaakceptowała propozycję pod warunkiem, że koszty nie przekroczą 30 milionów dolarów, z wyłączeniem wyrzutni i analizy danych. Ze względu na przekroczenie kosztów w programie Explorer z powodu IRAS, prace nad budową satelity w Goddard Space Flight Center (GSFC) rozpoczęły się dopiero w 1981 roku. Aby obniżyć koszty, detektory podczerwieni i dewar z ciekłym helem na COBE byłyby podobne do tych używanych na IRAS .
COBE pierwotnie planowano wystrzelić na misję promu kosmicznego STS-82-B w 1988 roku z bazy sił powietrznych Vandenberg , ale eksplozja Challengera opóźniła ten plan, gdy wahadłowce zostały uziemione. NASA powstrzymała inżynierów COBE przed udaniem się do innych agencji kosmicznych w celu wystrzelenia COBE, ale ostatecznie przeprojektowany COBE został umieszczony na orbicie synchronicznej ze słońcem 18 listopada 1989 roku na pokładzie rakiety Delta. Zespół amerykańskich naukowców ogłosił 23 kwietnia 1992 r., że znalazł pierwotne „nasiona” (anizotropia CMBE) w danych z COBE. Ogłoszenie zostało ogłoszone na całym świecie jako fundamentalne odkrycie naukowe i znalazło się na pierwszej stronie The New York Times .
Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2006 została przyznana wspólnie Johnowi C. Matherowi z NASA Goddard Space Flight Center i George'owi F. Smootowi z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley „za odkrycie formy ciała doskonale czarnego i anizotropii kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła ”.
Statek kosmiczny
| Część serii na |
| Kosmologia fizyczna |
|---|
 |
COBE był satelitą klasy Explorer, z technologią zapożyczoną w dużej mierze z IRAS, ale z pewnymi unikalnymi cechami.
Konieczność kontrolowania i mierzenia wszystkich źródeł błędów systematycznych wymagała rygorystycznego i zintegrowanego projektu. COBE musiałby działać przez minimum 6 miesięcy i ograniczyć ilość zakłóceń radiowych z ziemi, COBE i innych satelitów oraz promieniowania z Ziemi , Słońca i Księżyca . Przyrządy wymagały stabilności temperatury i utrzymania wzmocnienia, a także wysokiego poziomu czystości w celu ograniczenia przedostawania się światła rozproszonego i emisji ciepła z cząstek stałych.
Konieczność kontrolowania systematycznego błędu pomiaru anizotropii CMB i pomiaru chmury zodiakalnej pod różnymi kątami wydłużenia w celu późniejszego modelowania wymagała, aby satelita obracał się z prędkością wirowania 0,8 obr./min. Oś wirowania jest również odchylona od wektora prędkości orbitalnej jako środek ostrożności przed możliwymi osadami resztkowego gazu atmosferycznego na optyce, a także przed poświatą podczerwoną, która wynikałaby z szybkich neutralnych cząstek uderzających w jej powierzchnie z bardzo dużą prędkością.
Aby sprostać bliźniaczym wymaganiom wolnej rotacji i trójosiowej kontroli położenia, zastosowano wyrafinowaną parę kół z momentem pędu odchylającego, których oś była zorientowana wzdłuż osi obrotu. Koła te były używane do przenoszenia momentu pędu przeciwnego do całego statku kosmicznego, aby stworzyć system zerowego momentu pędu.
Orbita zostałaby określona na podstawie specyfiki misji statku kosmicznego. Nadrzędnymi względami były potrzeba pełnego pokrycia nieba, potrzeba wyeliminowania promieniowania błądzącego z instrumentów oraz potrzeba utrzymania stabilności termicznej dewara i instrumentów. Okrągła orbita synchroniczna ze Słońcem spełniała wszystkie te wymagania. Wybrano orbitę o wysokości 900 km z nachyleniem 99°, ponieważ mieści się ona w zakresie możliwości wahadłowca (z napędem pomocniczym na COBE) lub rakiety Delta. Ta wysokość była dobrym kompromisem między promieniowaniem Ziemi a naładowaną cząsteczką w pasach radiacyjnych Ziemi na wyższych wysokościach. Węzeł wstępujący o godzinie 18:00 został wybrany, aby umożliwić COBE śledzenie granicy między światłem słonecznym a ciemnością na Ziemi przez cały rok.
Orbita w połączeniu z osią obrotu umożliwiła utrzymywanie Ziemi i Słońca w sposób ciągły poniżej płaszczyzny tarczy, umożliwiając pełne skanowanie nieba co sześć miesięcy.
Ostatnie dwie ważne części związane z misją COBE to dewar i tarcza Słońce-Ziemia. Dewar był 650-litrowym kriostatem helowym nadciekłym, zaprojektowanym do utrzymywania chłodzenia instrumentów FIRAS i DIRBE podczas trwania misji. Opierał się na tej samej konstrukcji, co w IRAS i był w stanie odprowadzać hel wzdłuż osi obrotu w pobliżu macierzy komunikacyjnych. Stożkowa osłona Słońce-Ziemia chroniła instrumenty przed bezpośrednim promieniowaniem słonecznym i ziemskim, a także przed zakłóceniami radiowymi z Ziemi i anteny nadawczej COBE. Wielowarstwowe koce izolacyjne zapewniały dewarowi izolację termiczną.
Odkrycia naukowe
Misję naukową przeprowadziły trzy opisane wcześniej instrumenty: DIRBE, FIRAS i DMR. Instrumenty pokrywały się w zakresie długości fal, zapewniając kontrolę spójności pomiarów w obszarach nakładania się widm i pomoc w rozróżnianiu sygnałów z naszej galaktyki, Układu Słonecznego i CMB.
Instrumenty COBE spełniłyby każdy ze swoich celów, a także umożliwiłyby spostrzeżenia, które miałyby konsekwencje wykraczające poza początkowy zakres COBE.
Krzywa ciała doskonale czarnego CMB
W ciągu około 15-letniego okresu między wnioskiem a uruchomieniem COBE miały miejsce dwa znaczące wydarzenia astronomiczne. Najpierw, w 1981 roku, dwa zespoły astronomów, jeden prowadzony przez Davida Wilkinsona z Uniwersytetu Princeton, a drugi przez Francesco Melchiorri z Uniwersytetu we Florencji , jednocześnie ogłosiły, że wykryły kwadrupolowy rozkład CMB za pomocą instrumentów balonowych. To odkrycie byłoby wykryciem rozkładu CMB w ciele doskonale czarnym, który miał mierzyć FIRAS na COBE. W szczególności grupa Florence twierdziła, że wykrycie anizotropii w pośredniej skali kątowej na poziomie 100 mikrokelwinów jest zgodne z późniejszymi pomiarami dokonanymi w eksperymencie BOOMERanG .
Jednak wiele innych eksperymentów próbowało powielić ich wyniki i nie udało się tego zrobić.
Po drugie, w 1987 roku japońsko-amerykański zespół kierowany przez Andrew Lange i Paula Richardsa z UC Berkeley oraz Toshio Matsumoto z Nagoya University ogłosił, że CMB nie jest prawdziwym ciałem czarnym. W eksperymencie z sondą rakietową wykryli nadmierną jasność przy długościach fal 0,5 i 0,7 mm.
Ponieważ te osiągnięcia stanowią tło dla misji COBE, naukowcy z niecierpliwością oczekiwali na wyniki z FIRAS. Wyniki FIRAS były zaskakujące, ponieważ wykazały idealne dopasowanie CMB i teoretycznej krzywej dla ciała doskonale czarnego w temperaturze 2,7 K, tym samym udowadniając, że wyniki Berkeley-Nagoya są błędne.
Pomiary FIRAS wykonano, mierząc różnicę widmową między 7° płatem nieba a wewnętrznym ciałem doskonale czarnym. Interferometr w FIRAS obejmował od 2 do 95 cm- 1 w dwóch pasmach oddzielonych co 20 cm- 1 . Dostępne są dwie długości skanowania (krótka i długa) oraz dwie prędkości skanowania (szybka i wolna), co daje łącznie cztery różne tryby skanowania. Dane zbierano przez okres dziesięciu miesięcy.
Wewnętrzna anizotropia CMB
DMR był w stanie poświęcić cztery lata na mapowanie wykrywalnej anizotropii kosmicznego promieniowania tła, ponieważ był jedynym instrumentem, który nie był zależny od dostarczania helu przez Dewara do utrzymywania go w stanie schłodzonym. Operacja ta umożliwiła stworzenie pełnych map nieba CMB poprzez odjęcie emisji galaktycznych i dipola na różnych częstotliwościach. Kosmiczne mikrofalowe fluktuacje tła są niezwykle słabe, tylko jedna część na 100 000 w porównaniu do średniej temperatury pola promieniowania wynoszącej 2,73 kelwina . Kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła jest pozostałością po Wielkim Wybuchu, a fluktuacje są odciskiem kontrastu gęstości we wczesnym Wszechświecie. Uważa się, że zmarszczki gęstości doprowadziły do powstania struktur obserwowanych we współczesnym wszechświecie: gromady galaktyk i rozległe obszary pozbawione galaktyk (NASA).
Wykrywanie wczesnych galaktyk
DIRBE wykrył również 10 nowych galaktyk emitujących w dalekiej podczerwieni w regionie nieobjętym badaniem przez IRAS, a także dziewięciu innych kandydatów w słabej dalekiej podczerwieni, które mogą być galaktykami spiralnymi .
Galaktyki wykryte przy 140 i 240 μm były również w stanie dostarczyć informacji o bardzo zimnym pyle (VCD). Przy tych długościach fal można wyznaczyć masę i temperaturę VCD.
Po połączeniu tych danych z danymi 60 i 100 μm pochodzącymi z IRAS stwierdzono, że jasność dalekiej podczerwieni pochodzi od zimnego (≈17–22 K) pyłu związanego z rozproszonymi chmurami cirrus HI , 15-30% z zimna (≈ 19 K) pył związany z gazem molekularnym i mniej niż 10% z ciepłego (≈29 K) pyłu w rozszerzonych obszarach HII o niskiej gęstości .
DIRBE
Oprócz odkryć, jakie DIRBE dokonał na galaktykach, wniósł także dwa inne znaczące wkłady do nauki. Instrument DIRBE był w stanie przeprowadzić badania pyłu międzyplanetarnego (IPD) i określić, czy jego pochodzenie pochodzi z asteroid czy z cząstek kometarnych. Dane DIRBE zebrane przy 12, 25, 50 i 100 μm pozwoliły wywnioskować, że ziarna pochodzenia asteroidowego wypełniają pasma IPD i gładką chmurę IPD.
Drugim wkładem wniesionym przez DIRBE był model dysku galaktycznego widzianego z naszej pozycji. Zgodnie z modelem, jeśli nasze Słońce znajduje się 8,6 kpc od centrum Galaktyki, to Słońce znajduje się 15,6 pc ponad płaszczyzną środkową dysku, który ma długości odpowiednio 2,64 i 0,333 kpc w skali promieniowej i pionowej, i jest wypaczony w sposób zgodny z warstwą HI. Nie ma też śladu grubego dysku.
Aby stworzyć ten model, IPD musiał zostać odjęty od danych DIRBE. Stwierdzono, że ten obłok, który widziany z Ziemi jest światłem zodiakalnym , nie był wyśrodkowany na Słońcu, jak wcześniej sądzono, ale w miejscu w kosmosie oddalonym o kilka milionów kilometrów. Wynika to z grawitacyjnego wpływu Saturna i Jowisza .
Implikacje kosmologiczne
Oprócz wyników naukowych wyszczególnionych w ostatniej części, wyniki COBE pozostawiają wiele pytań kosmologicznych, na które nie ma odpowiedzi. Bezpośredni pomiar pozagalaktycznego światła tła (EBL) może również dostarczyć ważnych ograniczeń dla zintegrowanej kosmologicznej historii formowania się gwiazd, produkcji metali i pyłu oraz konwersji światła gwiazd na emisje podczerwone przez pył.
Patrząc na wyniki z DIRBE i FIRAS w zakresie 140 do 5000 μm, możemy stwierdzić, że zintegrowane natężenie EBL wynosi ≈16 nW/(m 2 ·sr). Jest to zgodne z energią uwalnianą podczas nukleosyntezy i stanowi około 20–50% całkowitej energii uwalnianej podczas tworzenia helu i metali w całej historii wszechświata. Ta intensywność, przypisywana tylko źródłom jądrowym, sugeruje, że ponad 5–15% barionowej gęstości masy wynikającej z analizy nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu zostało przetworzone w gwiazdach na hel i cięższe pierwiastki.
Były też znaczące implikacje dla formowania się gwiazd . Obserwacje COBE dostarczają ważnych ograniczeń dotyczących tempa powstawania gwiazd w kosmosie i pomagają nam obliczyć widmo EBL dla różnych historii powstawania gwiazd. Obserwacje wykonane przez COBE wymagają, aby tempo formowania się gwiazd przy przesunięciu ku czerwieni z ≈ 1,5 było większe niż to wywnioskowane z obserwacji optycznych UV o współczynnik 2. Ta nadwyżka energii gwiazd musi być generowana głównie przez masywne gwiazdy w jeszcze niewykrytych galaktykach osłoniętych pyłem lub ekstremalnie zakurzone obszary gwiazdotwórcze w obserwowanych galaktykach. Dokładna historia formowania się gwiazd nie może być jednoznacznie wyjaśniona przez COBE i należy poczynić dalsze obserwacje w przyszłości.
30 czerwca 2001 r. NASA rozpoczęła misję kontrolną COBE prowadzoną przez zastępcę głównego śledczego DMR Charlesa L. Bennetta . Anisotropy Probe Wilkinson Microwave wyjaśnił i rozszerzył się na osiągnięciach w COBE. W ślad za WMAP, sondą Europejskiej Agencji Kosmicznej, Planck kontynuował zwiększanie rozdzielczości mapowania tła.
Zobacz też
- 9997 COBE , mniejsza planeta nazwana na cześć eksperymentu.
- Galaktyczne mapowanie rentgenowskie S150
Uwagi
Bibliografia
- Arny, Thomas T. (2002). Explorations: Wprowadzenie do astronomii (3rd ed.). Dubuque, Iowa: McGraw-Hill. Numer ISBN 978-0-07-241593-3.
- Liddle, AR; Lyth, DH (1993). „Zaburzenie gęstości zimnej ciemnej materii”. Raport z fizyki — sekcja przeglądowa listów z fizyki . 231 (1–2): 1-105. arXiv : astro-ph/9303019 . Kod Bibcode : 1993PhR...231....1L . doi : 10.1016/0370-1573(93)90114-S . S2CID 119084975 .
- Odenwald S.; J. Newmark i G. Smoot (1998). „Badanie zewnętrznych galaktyk wykrytych przez eksperyment COBE Diffuse Infrared Background Experiment”. Czasopismo Astrofizyczne . 500 (2): 554–568. arXiv : astro-ph/9610238 . Kod Bibcode : 1998ApJ...500..554O . doi : 10.1086/305737 .
Dalsza lektura
- Mather, John C.; Boslough, John (1996). Pierwsze światło: prawdziwa wewnętrzna historia podróży naukowej z powrotem do świtu wszechświata . Nowy Jork: Podstawowe Książki. Numer ISBN 0-465-01575-1.
- Gładko, George; Davidson, Keay (1993). Zmarszczki w czasie . Nowy Jork: W. Morrow. Numer ISBN 0-688-12330-9.
- WMAP
Linki zewnętrzne
- Strona NASA na COBE
- Film informacyjny NASA przed startem COBE
- Profil misji COBE opracowany przez NASA Solar System Exploration
- Zdjęcie APODu dipola COBE , pokazujące ruch Ziemi z prędkością 600 km/s względem kosmicznego promieniowania tła
- Artykuł dotyczący Kosmicznego Eksploratora Tła ze Scholarpedia