Sonda de anisotropie cu microunde Wilkinson (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP), cunoscută inițial sub numele de sonda de anisotropie cu microunde (Microwave Anisotropy Probe, MAP), a fost o navă spațială fără echipaj care a funcționat din 2001 până în 2010, care a măsurat diferențele de temperatură pe cer în fundalul cosmic cu microunde (CMB) – căldura radiantă rămasă din Big Bang-ul. Condusă de profesorul Charles L. Bennett de la Universitatea Johns Hopkins, misiunea a fost dezvoltată într-un parteneriat comun între Centrul de zbor spațial Goddard NASA și Universitatea Princeton. Sonda spațială WMAP a fost lansată pe 30 iunie 2001 din Florida. Misiunea WMAP a reușit misiunea spațială COBE și a fost a doua navă spațială de clasă medie (MIDEX) din programul NASA Explorers. În 2003, MAP a fost redenumită WMAP în onoarea cosmologului David Todd Wilkinson (1935-2002), care fusese membru al echipei științifice a misiunii. După nouă ani de operațiuni, WMAP a fost oprit în 2010, ca urmare a lansării navei spațiale Planck mai avansate de către Agenția Spațială Europeană în 2009.
Măsurătorile WMAP au jucat un rol cheie în stabilirea actualului model standard de cosmologie: modelul Lambda-CDM. Datele WMAP se potrivesc foarte bine cu un univers dominat de energia întunecată sub forma unei constante cosmologice. Alte date cosmologice sunt, de asemenea, consistente și, împreună, constrânge strâns Modelul. În modelul Lambda-CDM al universului, vârsta universului este de 13,772±0,059 miliarde de ani. Determinarea misiunii WMAP a vârstei universului este de a avea o precizie mai bună de 1%. Rata de expansiune actuală a universului este (vezi constanta Hubble) 69,32±0,80 km·s−1·Mpc−1. Conținutul universului constă în prezent din 4,628%±0,093% materie barionică obișnuită; 24,02%+0,88%−0,87% materie întunecată rece (CDM) care nu emite și nici nu absoarbe lumină; și 71,35%+0,95%−0,96% din energia întunecată sub forma unei constante cosmologice care accelerează expansiunea universului. Mai puțin de 1% din conținutul actual al universului se află în neutrini, dar măsurătorile WMAP au constatat, pentru prima dată în 2008, că datele preferă existența unui fond de neutrini cosmici cu un număr efectiv de specii de neutrini de 3,26±0,35. Conținutul indică o geometrie plană euclidiană, cu curbură (Ωk) de -0,0027+0,0039−0,0038. Măsurătorile WMAP susțin, de asemenea, paradigma inflației cosmice în mai multe moduri, inclusiv prin măsurarea planeității.
Misiunea a câștigat diverse premii: conform revistei Science, WMAP a fost Cea mai mare realizare a anului 2003.
Începând din octombrie 2010, nava spațială WMAP este abandonată pe o orbită cimitir heliocentrică după 9 ani de operațiuni. Toate datele WMAP sunt puse la dispoziția publicului și au fost supuse unui control atent. Ultima versiune oficială de date a fost cea de nouă ani din 2012.
Unele aspecte ale datelor sunt statistic neobișnuite pentru Modelul standard de cosmologie. De exemplu, cea mai mare măsurare la scară unghiulară, momentul cvadrupolar, este oarecum mai mică decât ar prezice Modelul, dar această discrepanță nu este foarte semnificativă. Un spot rece mare și alte caracteristici ale datelor sunt mai semnificative statistic, iar cercetările continuă.
Obiective
Obiectivul WMAP a fost măsurarea diferențelor de temperatură în radiația de fundal a microundelor cosmice (CMB). Anizotropiile au fost apoi folosite pentru a măsura geometria, conținutul și evoluția universului; și pentru a testa modelul Big Bang și teoria inflației cosmice. Pentru aceasta, misiunea a creat o hartă completă a CMB, cu o rezoluție de 13 minute de arc prin observare cu frecvență multiplă. Harta a necesitat cele mai puține erori sistematice, fără zgomot de pixel corelat, și calibrare precisă, pentru a asigura o precizie la scară unghiulară mai mare decât rezoluția sa. Harta conține 3.145.728 pixeli și folosește schema HEALPix pentru a pixeliza sfera. Telescopul a măsurat, de asemenea, polarizarea în modul E a CMB și polarizarea din prim-plan. Durata sa de viață a fost de 27 de luni; 3 pentru a ajunge la poziția L2, și 2 ani de observație.
Dezvoltare
Misiunea MAP a fost propusă NASA în 1995, selectată pentru studiu de definiție în 1996 și aprobată pentru dezvoltare în 1997.
WMAP a fost precedat de două misiuni de observare a CMB; (i) RELIKT-1 sovietic care a raportat măsurătorile la limita superioară a anizotropiilor CMB și (ii) satelitul COBE din SUA care a raportat mai întâi fluctuații la scară largă ale CMB. WMAP a fost de 45 de ori mai sensibil, cu o rezoluție unghiulară de 33 de ori mai mare decât a predecesorului său cu satelitul COBE. Misiunea succesorului European Planck (operațional 2009–2013) a avut o rezoluție mai mare și o sensibilitate mai mare decât WMAP și a fost observată în 9 benzi de frecvență, mai mult decât în WMAP 5, permițând modele de prim plan astrofizice îmbunătățite.
Nava spațială
(Diagrama navei spațiale WMAP)
Oglinzile reflectoare primare ale telescopului sunt o pereche de vase gregoriene de 1,4 m × 1,6 m (orientate spre direcții opuse), care focalizează semnalul pe o pereche de oglinzi reflectorizante secundare de 0,9 m × 1,0 m. Acestea sunt modelate pentru o performanță optimă: o carcasă din fibră de carbon pe un miez Korex, acoperită subțire cu aluminiu și oxid de siliciu. Reflectoarele secundare transmit semnalele către foliile ondulate care stau pe o cutie de plan focal sub reflectoarele primare.
(Ilustrația receptorilor WMAP)
Receptoarele sunt radiometre diferențiale sensibile la polarizare care măsoară diferența dintre două fascicule ale telescopului. Semnalul este amplificat cu amplificatoare HEMT cu zgomot redus, construite de Observatorul Național de Radioastronomie. Există 20 de fluxuri, 10 în fiecare direcție, din care un radiometru colectează un semnal; măsura este diferența în semnalul cerului din direcții opuse. Azimutul de separare direcțională este de 180 de grade; unghiul total este de 141 grade. Pentru a îmbunătăți scăderea semnalelor din prim-plan din galaxia noastră Calea Lactee, WMAP a folosit cinci benzi de frecvență radio discrete, de la 23 GHz la 94 GHz.
Baza WMAP este un panou solar cu diametrul de 5,0 m, care menține instrumentele în umbră în timpul observațiilor CMB, (prin menținerea navei înclinată constant la 22 de grade, față de Soare). Pe rețea s-a așezat o punte jos (susținând componentele calde) și o punte sus. Componentele reci ale telescopului: matricea planului focal și oglinzile sunt separate de componentele calde cu o carcasă cilindrică de 33 cm lungime de izolare termică deasupra punții.
Radiatoarele termice pasive răcesc WMAP la aproximativ 90 K (-183,2 °C); sunt conectate la amplificatoarele cu zgomot redus. Telescopul consumă 419 W putere. Încălzitoarele telescopice disponibile sunt încălzitoare de urgență și există un încălzitor transmițător, folosit pentru a le încălzi la oprire. Temperatura navei WMAP este monitorizată cu termometre cu rezistență la platină.
Calibrarea WMAP se efectuează cu dipolul CMB și măsurătorile lui Jupiter; modelele fasciculului sunt măsurate față de Jupiter. Datele telescopului sunt transmise zilnic printr-un transponder de 2 GHz, oferind o legătură descendentă de 667 kbit/s către un telescop de rețea spațiu profund de 70 m. Nava spațială are două transpondere, unul de rezervă redundant; sunt minim activi – aproximativ 40 de minute zilnic – pentru a minimiza interferențele de frecvență radio. Poziția telescopului este menținută, în cele trei axe ale sale, cu trei roți de reacție, giroscoape, două trackere de stele și senzori solari, și este direcționată cu opt propulsoare de hidrazină.
Lansare, traiectorie și orbită
Sonda WMAP a sosit la Centrul Spațial Kennedy pe 20 aprilie 2001. După ce a fost testată timp de două luni, a fost lansată prin racheta Delta II 7425 la 30 iunie 2001. A început să funcționeze la puterea sa internă cu cinci minute înainte de lansare și a continuat să funcționeze până când s-a instalat panoul solar. WMAP a fost activat și monitorizat în timp ce se răcea. Pe 2 iulie, a început să funcționeze, mai întâi cu teste în zbor (de la lansare până la 17 august), apoi a început o muncă constantă și formală. Ulterior, a efectuat trei bucle de fază Pământ-Lună, măsurându-și lobii laterali, apoi a zburat pe Lună pe 30 iulie, în drum spre punctul lagrangian L2 Soare-Pământ, ajungând acolo la 1 octombrie 2001, devenind prima misiune de observare CMB acolo.
Localizarea navei la Lagrange 2, (la 1,5 milioane de kilometri de Pământ) o stabilizează termic și minimizează emisiile solare, terestre și lunare contaminante înregistrate. Pentru a vizualiza întregul cer, fără a privi spre Soare, WMAP trasează o cale în jurul L2 într-o orbită Lissajous de la 1,0 la 10 grade, cu o perioadă de 6 luni. Telescopul se rotește o dată la 2 minute, 9 secunde (0,464 rpm) și precese cu o rotație de 1 rotație pe oră. WMAP a măsurat întregul cer la fiecare șase luni și a finalizat prima sa observare cu cerul complet în aprilie 2002.
(Traiectoria și orbita WMAP.)
(Strategia de scanare a orbitei și cerului WMAP)
Micșorarea radiației din prim-plan
WMAP a făcut observații în cinci frecvențe, permițând măsurarea și scăderea contaminării prim-planului (din Calea Lactee și surse extra-galactice) a CMB. Principalele mecanisme de emisie sunt radiațiile sincrotrone și emisiile libere (care domină frecvențele inferioare) și emisiile de praf astrofizice (care domină frecvențele mai mari). Proprietățile spectrale ale acestor emisii contribuie cu cantități diferite la cele cinci frecvențe, permițând astfel identificarea și scăderea acestora.
Contaminarea din prim-plan este eliminată în mai multe moduri. În primul rând, se scad hărțile de emisie existente din măsurătorile WMAP; în al doilea rând, se utilizează valorile spectrale cunoscute ale componentelor pentru a le identifica; în al treilea rând, se potrivește simultan cu datele de poziție și spectre ale emisiei din prim-plan, folosind seturi de date suplimentare. Contaminarea din prim-plan a fost redusă utilizând doar porțiunile de hartă de cer întreg cu cea mai mică contaminare din prim-plan, în timp ce se mascau porțiunile de hartă rămase.
Rezultatul principal
Rezultatul principal al misiunii este cuprins în diferitele hărți ovale ale diferențelor de temperatură CMB. Aceste imagini ovale prezintă distribuția temperaturii derivată de echipa WMAP din observațiile efectuate de telescop în timpul misiunii. Măsurată este temperatura obținută din interpretarea legii lui Planck a fundalului microundelor. Harta ovală acoperă întregul cer. Rezultatele sunt un instantaneu al universului la aproximativ 375.000 de ani de la Big Bang, care s-a întâmplat în urmă cu aproximativ 13,8 miliarde de ani. Fundalul microundelor este foarte omogen ca temperatură (variațiile relative de la medie, care în prezent este încă 2,7 kelvini, sunt doar de ordinul 5 × 10−5). Variațiile de temperatură corespunzătoare direcțiilor locale sunt prezentate prin diferite culori (direcțiile „roșii” sunt mai fierbinți, direcțiile „albastre” mai reci decât media).
(Imagine WMAP după 9 ani de observașie a radiației cosmice de fundal (2012).)
Lasă un răspuns