Cosmic Background Explorer (COBE, Explorer 66), pentru radiația cosmică de fond

Cosmic Background Explorer (COBE), denumit și Explorer 66, a fost un satelit dedicat cosmologiei, care a funcționat din 1989 până în 1993. Obiectivele sale au fost investigarea radiației cosmice de fond cu microunde (RCF) a universului și furnizarea de măsurători care ar ajuta la modelarea înțelegerii noastre despre cosmos.

Măsurătorile efectuate de COBE au furnizat două dovezi cheie care au susținut teoria Big Bang a universului: faptul că RCF are un spectru de corp negru aproape perfect și că are anisotropii foarte slabe. Doi dintre anchetatorii principali ai COBE, George Smoot și John Mather, au primit Premiul Nobel pentru fizică în 2006 pentru munca lor la proiect. Potrivit comitetului Premiului Nobel, „proiectul COBE poate fi considerat și punctul de plecare pentru cosmologie ca o știință de precizie”.

COBE a fost urmat de două nave spațiale mai avansate: sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) operată în perioada 2001-2010 și nava spațială Planck din 2009-2013.

(Concepție artistică a navei spațiale COBE)

Istorie

În 1974, NASA a emis un anunț de oportunitate pentru misiuni astronomice care ar folosi o navă spațială Explorer de dimensiuni mici sau mijlocii. Din cele 121 de propuneri primite, trei s-au ocupat de studierea radiației cosmologice de fond. Deși aceste propuneri au pierdut în fața satelitului astronomic cu infraroșu (IRAS), forța lor a făcut ca NASA să exploreze în continuare ideea. În 1976, NASA a format un comitet de membri din fiecare dintre cele trei echipe de propuneri din 1974 pentru a-și pune la punct ideile pentru un astfel de satelit. Un an mai târziu, acest comitet a sugerat ca un satelit cu orbită polară numit COBE să fie lansat fie de o rachetă Delta, fie de naveta spațială. Ar conține următoarele instrumente:

• Instrument – Acronim – Descriere
• Radiometru diferențial cu microunde – DMR – un instrument cu microunde care ar mapa variațiile (sau anizotropiile) din RCF
• Spectrofotometru absolut în infraroșu îndepărtat – FIRAS – un spectrofotometru folosit pentru a măsura spectrul RCF
• Experiment difuz în fundal infraroșu – DIRBE – un detector cu infraroșu cu lungime de undă multiplu utilizat pentru cartografierea emisiilor de praf

NASA a acceptat propunerea, cu condiția ca costurile să fie menținute sub 30 de milioane de dolari, excluzând lansatorul și analiza datelor. Datorită depășirilor de costuri din programul Explorer din cauza IRAS, lucrările la construirea satelitului la Goddard Space Flight Center (GSFC) nu au început până în 1981. Pentru a economisi costurile, detectoarele cu infraroșu și depozitul de heliu lichid de pe COBE ar fi similare cu cele utilizate pe IRAS.

COBE a fost inițial planificat să fie lansat într-o misiune a navetei spațiale STS-82-B în 1988 de la baza forței aeriene Vandenberg, dar explozia Challenger a întârziat acest plan când navetele au îngropate. NASA i-a împiedicat pe inginerii COBE să meargă la alte agenții spațiale pentru a lansa COBE, dar în cele din urmă, un COBE reproiectat a fost plasat pe orbita sincronă a soarelui pe 18 noiembrie 1989 la bordul unei rachete Delta. O echipă de oameni de știință americani a anunțat, pe 23 aprilie 1992, că au găsit „germenii” primordiali (anizotropia RCF) în datele de la COBE. Anunțul a fost raportat la nivel mondial ca o descoperire științifică fundamentală și a fost difuzat pe prima pagină a The New York Times.

Premiul Nobel pentru fizică pentru 2006 a fost acordat în comun lui John C. Mather, NASA Goddard Space Flight Center și George F. Smoot, Universitatea din California, Berkeley, „pentru descoperirea formei corpului negru și a anizotropiei radiației cosmice de fundal cu microunde .”

Nava spațială

COBE a fost un satelit de clasă Explorer, cu tehnologie împrumutată foarte mult de la IRAS, dar cu unele caracteristici unice.

Necesitatea de a controla și măsura toate sursele de erori sistematice a necesitat o proiectare riguroasă și integrată. COBE trebuia să funcționeze timp de minimum 6 luni și să limiteze cantitatea de interferențe radio de la sol, COBE și alți sateliți, precum și interferențele radiative de pe Pământ, Soare și Lună. Instrumentele au necesitat stabilitate la temperatură și pentru a menține câștigul, precum și un nivel ridicat de curățenie pentru a reduce intrarea luminii dispersate și a emisiilor termice de la particule.

Necesitatea de a controla erorile sistematice în măsurarea anizotropiei RCF și măsurarea norului zodiacal la diferite unghiuri de alungire pentru modelarea ulterioară a impus ca satelitul să se rotească la o rată de centrifugare de 0,8 rpm. Axa de rotire este, de asemenea, înclinată înapoi de la vectorul de viteză orbitală ca măsură de precauție împotriva depunerilor posibile de gaz atmosferic rezidual pe optică, precum și împotriva strălucirii în infraroșu care ar rezulta din particulele neutre rapide care ar atinge suprafețele sale la viteză extrem de mare.

Pentru a satisface cerințele duble de rotație lentă și control al atitudinii pe trei axe, au fost folosite o pereche sofisticată de roți în unghi, cu axul lor orientat de-a lungul axei de rotire. Aceste roți au fost folosite pentru a transporta un moment unghiular opus celui al întregii nave spațiale pentru a crea un sistem de moment unghiular zero net.

Orbita s-ar dovedi a fi determinată pe baza specificului misiunii navei spațiale. Considerațiile imperative au fost necesitatea unei acoperiri complete a cerului, necesitatea eliminării radiațiilor dispersate din instrumente și necesitatea de a menține stabilitatea termică a armăturii și a instrumentelor. O orbită circulară sincronă cu Soarele a îndeplinit toate aceste cerințe. A fost aleasă o orbită de altitudine de 900 km, cu o înclinație de 99°, deoarece se încadrează în capacitățile unui Shuttle (cu o propulsie auxiliară pe COBE) sau a unei rachete Delta. Această altitudine a fost un bun compromis între radiația Pământului și particula încărcată din centurile de radiații ale Pământului la altitudini mai mari. Un nod ascendent la 6 p.m. a fost ales pentru a permite COBE să urmeze granița dintre lumina soarelui și întunericul de pe Pământ pe tot parcursul anului.

Orbita combinată cu axa de rotire a făcut posibilă menținerea continuă a Pământului și a Soarelui sub planul scutului, permițând o scanare completă a cerului la fiecare șase luni.

Ultimele două părți importante legate de misiunea COBE au fost scutul dewar și Soare-Pământ. Dewar era un criostat de 650 litri cu heliu superfluid conceput pentru a menține instrumentele FIRAS și DIRBE răcite pe durata misiunii. S-a bazat pe același design ca unul utilizat pe IRAS și a reușit să aerisească heliu de-a lungul axei de rotire în apropierea matricelor de comunicații. Ecranul conic Soare-Pământ a protejat instrumentele de radiațiile solare directe și de pe Pământ, precum și de interferențele radio de la Pământ și de la antena de transmisie a COBE. Păturile sale izolante multistrat au asigurat izolare termică pentru dewar.

Constatări științifice

(Faimoasa hartă a anizotropiei RCF formată din datele luate de nava spațială COBE.)

Misiunea științifică a fost condusă de cele trei instrumente detaliate anterior: DIRBE, FIRAS și DMR. Instrumentele s-au suprapus în acoperirea lungimii de undă, asigurând verificarea consistenței măsurătorilor în regiunile suprapunerii spectrale și asistență în semnalele discriminante din galaxie, sistemul nostru solar și RCF.

Instrumentele COBE și-au îndeplinit fiecare dintre obiectivele lor, precum și au făcut observații cu implicații în afara scopului inițial al COBE.

Curba corpului negru a RCF

(Datele de la COBE au arătat o potrivire perfectă între curba corpului negru prezisă de teoria big bang și cea observată în fundalul microundelor.)

În perioada de aproximativ 15 ani între propunerea și lansarea COBE, au existat două evoluții astronomice semnificative. În primul rând, în 1981, două echipe de astronomi, una condusă de David Wilkinson de la Universitatea Princeton și cealaltă de Francesco Melchiorri de la Universitatea din Florența, au anunțat simultan că au detectat o distribuție cvadrupolică a RCF folosind instrumente cu balon. Această constatare ar fi fost detectarea distribuției corpului negru a RCF pe care FIRAS pe COBE urma să o măsoare. În special, grupul Florența a susținut o detectare a anizotropiilor la scară unghiulară intermediară la nivelul 100 microkelvini, în acord cu măsurătorile ulterioare efectuate de experimentul BOOMERanG.

Cu toate acestea, o serie de alte experimente au încercat să își dubleze rezultatele și nu au putut să o facă.

În al doilea rând, în 1987, o echipă japoneză-americană condusă de Andrew Lange și Paul Richards de la UC Berkeley și Toshio Matsumoto de la Universitatea Nagoya au făcut un anunț că RCF nu este cea a unui adevărat corp negru. Într-un experiment cu rachete sonore, au detectat un exces de luminozitate la lungimi de undă de 0,5 și 0,7 mm.

Cu aceste evoluții servind drept fundal pentru misiunea COBE, oamenii de știință au așteptat cu nerăbdare rezultatele FIRAS. Rezultatele FIRAS au fost uimitoare prin faptul că au arătat o potrivire perfectă a RCF și a curbei teoretice pentru un corp negru la o temperatură de 2,7 K, dovedind astfel că rezultatele Berkeley-Nagoya sunt eronate.

Măsurătorile FIRAS au fost făcute prin măsurarea diferenței spectrale între o zonă de cer de 7° împotriva unui corp negru intern. Interferometrul din FIRAS acoperea între 2 și 95 cm⁻¹ în două benzi separate la 20 cm⁻¹. Există două lungimi de scanare (scurtă și lungă) și două viteze de scanare (rapidă și lentă) pentru un total de patru moduri de scanare diferite. Datele au fost colectate pe o perioadă de zece luni.

Anizotropia intrinsecă a RCF

DMR a reușit să petreacă patru ani cartografiind anizotropia detectabilă a radiației cosmice de fundal, deoarece era singurul instrument care nu depindea de furnizarea de heliu a dewarului pentru a-l menține răcit. Această operație a reușit să creeze hărți de cer complete ale RCF prin scăderea emisiilor galactice și a dipolului la diferite frecvențe. Fluctuațiile cosmice ale fundalului microundelor sunt extrem de slabe, doar o parte din 100.000 în comparație cu temperatura medie de 2,73 kelvin a câmpului de radiații. Radiația cosmică de fond cu microunde este o rămășiță a Big Bang-ului, iar fluctuațiile sunt amprenta contrastului densității în universul timpuriu. Creșterea densității se crede că a produs formarea structurii așa cum se observă în universul de astăzi: grupuri de galaxii și regiuni vaste lipsite de galaxii (NASA).

Detectarea galaxiilor timpurii

DIRBE a detectat, de asemenea, 10 noi galaxii cu emisii de IR îndepărtate în regiunea care nu au fost chestionate de IRAS, precum și alți nouă candidați în IR-ul slab îndepărtat care ar putea fi galaxii spirale.

Galaxiile care au fost detectate la 140 și 240 μm au putut, de asemenea, să furnizeze informații despre praful foarte rece (VCD). La aceste lungimi de undă, masa și temperatura VCD pot fi derivate.

Când aceste date s-au alăturat cu date de 60 și 100 μm preluate de la IRAS, s-a constatat că luminozitatea în infraroșu îndepărtat provine din praf rece (≈17-22 K) asociat cu nori cirusi difuzi HI, 15-30% din praf rece (≈ 19 K) asociat cu gaz molecular și mai puțin de 10% din praf cald (~ 29 K) în regiunile extinse de densitate scăzută HII.

DIRBE

Pe lângă descoperirile pe care DIRBE le-a avut asupra galaxiilor, a adus și alte două contribuții semnificative la știință. Instrumentul DIRBE a fost capabil să efectueze studii asupra prafului interplanetar (IPD) și să determine dacă originea sa provine din particule asteroidice sau cometare. Datele DIRBE colectate la 12, 25, 50 și 100 μm au putut concluziona că granulele de origine asteroidală populează benzile IPD și norul IPD neted.

A doua contribuție pe care a adus-o DIRBE a fost un model al discului Galactic așa cum este văzut de la poziția noastră. Conform modelului, dacă Soarele nostru este la 8,6 kpc de centrul galactic, atunci Soarele este la 15,6 buc deasupra planului mediu al discului, care are o lungime a scării radiale și verticale de 2,64 și respectiv 0,333 kpc și este deformat într-un mod compatibil cu stratul HI. De asemenea, nu există nicio indicație a unui disc gros.

Pentru a crea acest model, IPD a trebuit să fie scăzut din datele DIRBE. S-a constatat că acest nor, care așa cum este văzut de pe Pământ este lumină zodiacală, nu era centrat pe Soare, așa cum se credea anterior, ci pe un loc din spațiu la câțiva milioane de kilometri distanță. Acest lucru se datorează influenței gravitaționale a lui Saturn și Jupiter.

Implicații cosmologice

În plus față de rezultatele științifice detaliate, există numeroase întrebări cosmologice lăsate fără răspuns de rezultatele COBE. O măsurare directă a luminii de fundal extragalactic (EBL) poate oferi, de asemenea, constrângeri importante asupra istoriei cosmologice integrate a formării stelelor, producției de metale și praf, precum și conversia luminii stelelor în emisii infraroșii de către praf.

Privind rezultatele de la DIRBE și FIRAS în 140 până la 5000 μm putem detecta că intensitatea EBL integrată este de ≈16 nW/(m² · sr). Acest lucru este în concordanță cu energia eliberată în timpul nucleosintezei și constituie aproximativ 20-50% din energia totală eliberată în formarea heliului și a metalelor de-a lungul istoriei universului. Atribuită doar surselor nucleare, această intensitate implică faptul că mai mult de 5–15% din densitatea de masă baryonică implicată de analiza nucleosintezei big bang a fost procesată în stele pentru heliu și elemente mai grele.

Au existat, de asemenea, implicații semnificative în formarea stelelor. Observațiile COBE oferă constrângeri importante asupra ratei de formare a stelelor cosmice și ne ajută să calculăm spectrul EBL pentru diferite istorii de formare a stelelor. Observația făcută de COBE necesită ca rata de formare a stelelor la deplasările spre roșu de z ≈ 1,5 să fie mai mare decât cea dedusă din observațiile UV-optice cu un factor de 2. Această energie stelară în exces trebuie să fie generată în principal de stele masive din galaxiile acoperite de praf încă nedetectat. sau regiuni de formare a stelelor cu mult praf în galaxiile observate. Istoria exactă a formării stelelor nu poate fi rezolvată fără ambiguitate de către COBE și trebuie făcute observații suplimentare în viitor.

La 30 iunie 2001, NASA a lansat o misiune de urmărire la COBE condusă de investigatorul principal adjunct al DMR Charles L. Bennett. Sonda de anizotropie cu microunde Wilkinson a clarificat și a extins realizările COBE. După WMAP, sonda Agenției Spațiale Europene, Planck, a continuat să mărească rezoluția la care a fost cartografiat fundalul.