Kozmik Arkaplan Gezgini - Cosmic Background Explorer

Kozmik Arkaplan Gezgini
Kozmik Arka Plan Gezgini uzay aracı modeli.png
Sanatçının COBE uzay aracı konsepti
İsimler Gezgin 66
Görev türü CMBR Astronomi
Şebeke NASA
COSPAR kimliği 1989-089A
SATCAT numarası 20322
İnternet sitesi lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe
Görev süresi Final: 4 yıl, 1 ay, 5 gün
uzay aracı özellikleri
Üretici firma GSFC
kitle başlatmak 2.270 kg (5.000 lb)
Kuru kütle 1.408 kg (3.104 lb)
Boyutlar 5,49 × 2,44 m (18,0 × 8,0 ft)
Güç 542 W
Görevin başlangıcı
Lansman tarihi 18 Kasım 1989, 14:34 UTC ( 1989-11-18UTC14:34 ) 
Roket Delta 5920-8
Siteyi başlat SLC-2W Vandenberg
Görevin sonu
İmha etmek hizmet dışı
devre dışı 23 Aralık 1993 ( 1993-12-24 )
yörünge parametreleri
Referans sistemi Yermerkezli
rejim Güneş-senkron
Yarı büyük eksen 7.255 km (4.508 mil)
eksantriklik 0.0009394
Yerberi yüksekliği 877,8 km (545,4 mil)
apoje yüksekliği 891.4 km (553,9 mi)
Eğim 98.9808 derece
Dönem 102,5 dakika
RAAN 215.4933 derece
perigee argümanı 52.8270 derece
ortalama anomali 351.1007 derece
ortalama hareket 14.04728277 devir/gün
çağ 21 Temmuz 2015, 15:14:58 UTC
Devrim No. 31549
Ana teleskop
Tip eksen dışı Gregoryen (DIRBE)
Çap 19 cm (7,5 inç)
dalga boyları Mikrodalga , Kızılötesi
Enstrümanlar
Kozmik Arka Plan Gezgini logosu.jpg
NASA COBE logosu
←  AMTPE/CCE
EVVE  →
 

Cobe ( COBE / k b i / ) olarak da adlandırılan Explorer 66 , bir oldu uydu adanmış kozmolojide araştırılması için özel olarak 1993 Onun hedeflerine 1989 çalıştırılmalıdır, kozmik mikrodalga arkaplan radyasyonu (SPK) evren ve anlayışımızı şekillendiren yardımcı olacağını ölçümlerini sağlamak evren .

COBE'nin ölçümleri , evrenin Big Bang teorisini destekleyen iki önemli kanıt sağladı : SPK'nın mükemmele yakın bir kara cisim spektrumuna sahip olduğu ve çok zayıf anizotropiye sahip olduğu . COBE'nin baş araştırmacılarından ikisi, George Smoot ve John Mather , projedeki çalışmaları nedeniyle 2006 yılında Nobel Fizik Ödülü'nü aldı . Nobel Ödülü komitesine göre, "COBE projesi aynı zamanda hassas bir bilim olarak kozmolojinin başlangıç ​​noktası olarak da kabul edilebilir ".

COBE, RELIKT-1'den sonra ikinci CMB uydusuydu ve onu iki daha gelişmiş uzay aracı izledi: 2001-2010 yılları arasında işletilen Wilkinson Mikrodalga Anizotropi Sondası ve 2009-2013 yılları arasında Planck uzay aracı .

Tarih

1974'te NASA , küçük veya orta büyüklükte bir Explorer uzay aracı kullanacak astronomik görevler için bir Fırsat Duyurusu yayınladı . Alınan 121 öneriden üçü kozmolojik arka plan radyasyonunu incelemekle ilgiliydi. Bu öneriler Kızılötesi Astronomik Uydu'ya (IRAS) kaptırılsa da, güçleri NASA'nın bu fikri daha da keşfetmesini sağladı. 1976'da NASA, böyle bir uydu için fikirlerini bir araya getirmek için 1974'teki üç teklif ekibinin her birinden bir üyeler komitesi kurdu. Bir yıl sonra, bu komite COBE adlı kutupsal yörüngeli bir uydunun ya bir Delta roketi ya da Uzay Mekiği tarafından fırlatılmasını önerdi . Aşağıdaki araçları içerecektir:

Enstrümanlar
Enstrüman kısaltma Tanım Baş araştırmacı
Diferansiyel Mikrodalga Radyometre DMR Bir mikrodalga varyasyonlar (ya anizotropilerin) map olur enstrüman SPK George Smoot
Uzak Kızılötesi Mutlak Spektrofotometre FIRAS SPK spektrumunu ölçmek için kullanılan bir spektrofotometre John Mather
Yaygın Kızılötesi Arka Plan Deneyi DIRBE toz emisyonunu haritalamak için kullanılan çok dalga boylu bir kızılötesi dedektör Mike Hauser
COBE uzay aracının fırlatılışı 18 Kasım 1989.

NASA, fırlatıcı ve veri analizi hariç, maliyetlerin 30 milyon doların altında tutulması şartıyla teklifi kabul etti. IRAS nedeniyle Explorer programındaki maliyet aşımları nedeniyle, Goddard Uzay Uçuş Merkezi'nde (GSFC) uydu inşa etme çalışmaları 1981'e kadar başlamadı. Maliyetlerden tasarruf etmek için, COBE'deki kızılötesi dedektörler ve sıvı helyum dewarı kullanılanlara benzer olacaktır. üzerinde IRAS .

COBE'nin ilk olarak 1988'de Vandenberg Hava Kuvvetleri Üssü'nden bir Uzay Mekiği görevi STS-82-B'de fırlatılması planlanmıştı , ancak Challenger patlaması , Mekikler yere indirildiğinde bu planı geciktirdi. NASA, COBE'nin mühendislerinin COBE'yi başlatmak için diğer uzay ajanslarına gitmesini engelledi, ancak sonunda, yeniden tasarlanmış bir COBE, 18 Kasım 1989'da bir Delta roketinde güneş eşzamanlı yörüngeye yerleştirildi . Amerikalı bilim adamlarından oluşan bir ekip 23 Nisan 1992'de COBE'den alınan verilerde ilkel "tohumları" (CMBE anizotropisi) bulduklarını açıkladı. Duyuru, dünya çapında temel bir bilimsel keşif olarak rapor edildi ve The New York Times'ın ön sayfasında yayınlandı .

2006 Nobel Fizik Ödülü, NASA Goddard Uzay Uçuş Merkezi'nden John C. Mather ve California Üniversitesi, Berkeley'den George F. Smoot'a , "kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun kara cisim formunu ve anizotropisini keşfettikleri için ortaklaşa verildi. "

Uzay aracı

COBE, teknolojisi büyük ölçüde IRAS'tan ödünç alınmış, ancak bazı benzersiz özelliklere sahip bir Explorer sınıfı uyduydu.

Tüm sistematik hata kaynaklarını kontrol etme ve ölçme ihtiyacı, titiz ve entegre bir tasarım gerektiriyordu. COBE'nin en az 6 ay çalışması ve yerden, COBE'den ve diğer uydulardan gelen radyo paraziti miktarını ve ayrıca Dünya , Güneş ve Ay'dan gelen radyasyon parazitini sınırlaması gerekir . Aletler, sıcaklık kararlılığı ve kazancı korumak için ve partiküllerden başıboş ışık girişini ve termal emisyonu azaltmak için yüksek düzeyde temizlik gerektiriyordu.

SPK anizotropisinin ölçümündeki sistematik hatayı kontrol etme ihtiyacı ve sonraki modelleme için farklı uzama açılarında zodyak bulutunu ölçme ihtiyacı, uydunun 0,8 rpm dönüş hızında dönmesini gerektirdi. Dönme ekseni ayrıca, optikler üzerinde olası kalıntı atmosferik gaz birikintilerine ve ayrıca yüzeylerine aşırı yüksek hızda çarpan hızlı nötr parçacıkların neden olacağı kızılötesi ışımaya karşı bir önlem olarak yörünge hız vektöründen geriye doğru eğilir.

COBEDagram.jpg

Yavaş dönüş ve üç eksenli konum kontrolünün ikiz taleplerini karşılamak için , eksenleri dönüş ekseni boyunca yönlendirilmiş , sofistike bir çift sapma açısal momentum çarkı kullanıldı. Bu tekerlekler, sıfır net açısal momentum sistemi oluşturmak için tüm uzay aracının tersine bir açısal momentum taşımak için kullanıldı.

Yörünge, uzay aracının görevinin özelliklerine göre belirlenecekti. En önemli hususlar, tam gökyüzü kapsama ihtiyacı, cihazlardan gelen başıboş radyasyonu ortadan kaldırma ihtiyacı ve dewar ile cihazların termal stabilitesini koruma ihtiyacıydı. Dairesel bir Sun-senkron yörünge tüm bu gereksinimleri karşıladı. 99° eğimli 900 km'lik bir irtifa yörüngesi, bir Mekik (COBE'de yardımcı tahrikli) veya bir Delta roketinin yeteneklerine uygun olduğu için seçildi . Bu irtifa, Dünya'nın radyasyonu ile daha yüksek irtifalarda Dünya'nın radyasyon kuşaklarındaki yüklü parçacık arasında iyi bir uzlaşmaydı . COBE'nin yıl boyunca Dünya'daki güneş ışığı ve karanlık arasındaki sınırı takip etmesine izin vermek için akşam 6'da yükselen bir düğüm seçildi.

Dönme ekseni ile birleştirilen yörünge, Dünya ve Güneş'i sürekli olarak kalkan düzleminin altında tutmayı mümkün kıldı ve her altı ayda bir tam bir gökyüzü taramasına izin verdi.

COBE göreviyle ilgili son iki önemli kısım, dewar ve Sun-Earth kalkanıydı. Dewar, görev süresi boyunca FIRAS ve DIRBE aletlerini soğutmak için tasarlanmış 650 litrelik bir süperakışkan helyum kriyostatıydı. IRAS'ta kullanılanla aynı tasarıma dayanıyordu ve iletişim dizilerinin yakınındaki dönüş ekseni boyunca helyum salabiliyordu. Konik Güneş-Dünya kalkanı, aletleri doğrudan güneş ve Dünya bazlı radyasyondan ve ayrıca Dünya'dan ve COBE'nin verici anteninden gelen radyo parazitlerinden korudu. Çok katmanlı yalıtım örtüleri, dewar için ısı yalıtımı sağladı.

Bilimsel bulgular

COBE uzay aracı tarafından alınan verilerden oluşturulan SPK anizotropisinin ünlü haritası.

Bilim görevi, daha önce detaylandırılan üç araç tarafından gerçekleştirildi: DIRBE, FIRAS ve DMR. Cihazlar, dalgaboyu kapsamında örtüşerek, spektral örtüşme bölgelerindeki ölçümlerde tutarlılık kontrolü ve galaksimizden, Güneş Sistemimizden ve CMB'den gelen sinyalleri ayırt etmede yardım sağlar.

COBE'nin araçları, COBE'nin ilk kapsamı dışında çıkarımları olabilecek gözlemler yapmanın yanı sıra, amaçlarının her birini yerine getirecektir.

SPK'nın kara cisim eğrisi

COBE'den elde edilen veriler, büyük patlama teorisinin öngördüğü siyah cisim eğrisi ile mikrodalga arka planında gözlemlenen arasında mükemmel bir uyum olduğunu gösterdi.

COBE'nin teklif edilmesi ile lansmanı arasındaki yaklaşık 15 yıllık süre boyunca, iki önemli astronomik gelişme yaşandı. İlk olarak, 1981'de, biri Princeton Üniversitesi'nden David Wilkinson ve diğeri Floransa Üniversitesi'nden Francesco Melchiorri tarafından yönetilen iki gökbilimci ekibi, balonla taşınan enstrümanları kullanarak CMB'nin dört kutuplu bir dağılımını aynı anda tespit ettiklerini açıkladılar . Bu bulgu, FIRAS'ın COBE'de ölçeceği SPK'nın kara cisim dağılımının tespiti olabilirdi. Özellikle, Florence grubu, BOOMERanG deneyi tarafından yapılan sonraki ölçümlerle uyumlu olarak, 100 mikrokelvin seviyesinde orta açısal ölçekli anizotropilerin saptandığını iddia etti .

COBE, WMAP ve Planck SPK sonuçlarının karşılaştırılması - 21 Mart 2013.

Bununla birlikte, bir dizi başka deney, sonuçlarını kopyalamaya çalıştı ve bunu başaramadı.

İkincisi, 1987'de UC Berkeley'den Andrew Lange ve Paul Richards ve Nagoya Üniversitesi'nden Toshio Matsumoto liderliğindeki bir Japon-Amerikan ekibi , SPK'nın gerçek bir kara cisim olmadığını açıkladı. Bir de sondaj roket deney, bunlar 0.5 ve 0.7 mm dalga boylarında aşırı parlaklık tespit etti.

COBE'nin misyonuna fon oluşturan bu gelişmelerle birlikte, bilim adamları hevesle FIRAS'tan gelecek sonuçları beklediler. FIRAS'ın sonuçları şaşırtıcıydı, çünkü CMB'nin mükemmel bir uyumunu ve 2,7 K sıcaklıkta siyah bir cisim için teorik eğriyi gösterdiler, böylece Berkeley-Nagoya sonuçlarının hatalı olduğunu kanıtladılar.

FIRAS ölçümleri, gökyüzünün 7°'lik bir parçası ile dahili bir siyah cisim arasındaki spektral fark ölçülerek yapıldı. FIRAS içinde interferometre 2 ile 95 cm kapalı -1 iki bant 20 cm ayrılan -1 . Toplam dört farklı tarama modu için iki tarama uzunluğu (kısa ve uzun) ve iki tarama hızı (hızlı ve yavaş) vardır. Veriler on aylık bir süre içinde toplanmıştır.

SPK'nın içsel anizotropisi

Dipol çıkarmanın ardından üç DMR frekansının (31,5, 53 ve 90 GHz) her birinde elde edilen veriler

DMR, kozmik arka plan radyasyonunun saptanabilir anizotropisini haritalamak için dört yıl harcayabildi, çünkü onu soğutmak için dewar'ın helyum kaynağına bağımlı olmayan tek araçtı. Bu operasyon, çeşitli frekanslarda galaktik emisyonları ve dipolleri çıkararak SPK'nın tam gökyüzü haritalarını oluşturmayı başardı. Kozmik mikrodalga arka plan dalgalanmaları , radyasyon alanının 2.73 kelvin ortalama sıcaklığına kıyasla 100.000'de yalnızca bir kısım olmak üzere son derece zayıftır . Kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu, Büyük Patlama'nın bir kalıntısıdır ve dalgalanmalar, erken evrendeki yoğunluk kontrastının damgasıdır. Yoğunluk dalgalanmalarının, bugün evrende gözlemlenen yapı oluşumunu ürettiğine inanılıyor : galaksi kümeleri ve galaksilerden yoksun geniş bölgeler (NASA).

Erken galaksileri tespit etmek

DIRBE ayrıca, bölgede IRAS tarafından incelenmeyen 10 yeni uzak-IR yayan gökada ve ayrıca zayıf uzak-IR'de sarmal gökada olabilecek dokuz aday daha tespit etti .

140 ve 240 μm'de tespit edilen gökadalar da çok soğuk toz (VCD) hakkında bilgi sağlayabildi. Bu dalga boylarında, VCD'nin kütlesi ve sıcaklığı türetilebilir.

Bu veriler IRAS'tan alınan 60 ve 100 μm'lik verilerle birleştirildiğinde, uzak kızılötesi parlaklığın, dağınık HI sirrus bulutlarıyla ilişkili soğuk (≈17–22 K) tozdan , % 15-30'unun soğuktan (≈) kaynaklandığı bulundu. 19 K) moleküler gazla ilişkili toz ve genişletilmiş düşük yoğunluklu HII bölgelerindeki ılık (≈29 K) tozdan %10'dan az .

DIRBE

Konumumuzdan yandan görülen Galaktik disk modeli

DIRBE'nin galaksiler üzerine elde ettiği bulguların yanı sıra, bilime iki önemli katkı daha yaptı. DIRBE cihazı, gezegenler arası toz (IPD) üzerinde çalışmalar yapabildi ve kökeninin asteroitten mi yoksa kuyruklu yıldız parçacıklarından mı kaynaklandığını belirleyebildi. 12, 25, 50 ve 100 um'de toplanan DIRBE verileri, asteroit kökenli tanelerin IPD bantlarını ve pürüzsüz IPD bulutunu doldurduğu sonucuna varabildi .

DIRBE'nin yaptığı ikinci katkı, konumumuzdan yandan görülen bir Galaktik disk modeliydi . Modele göre, Güneşimiz Galaktik merkezden 8.6 kpc ise, o zaman Güneş, radyal ve dikey ölçek uzunlukları sırasıyla 2.64 ve 0.333 kpc olan diskin orta düzleminin 15,6 pc üzerindedir ve bir şekilde çarpıktır. HI katmanıyla tutarlı bir şekilde. Ayrıca kalın bir disk belirtisi de yoktur.

Bu modeli oluşturmak için, IPD'nin DIRBE verilerinden çıkarılması gerekiyordu. Dünya'dan bakıldığında Zodyak ışığı olan bu bulutun daha önce sanıldığı gibi Güneş merkezli olmadığı, uzayda birkaç milyon kilometre uzaktaki bir yerde olduğu tespit edildi. Bunun nedeni Satürn ve Jüpiter'in yerçekimi etkisidir .

kozmolojik çıkarımlar

Son bölümde detaylandırılan bilim sonuçlarına ek olarak, COBE'nin sonuçlarının yanıtsız bıraktığı çok sayıda kozmolojik soru var. Galaksi dışı arka plan ışığının (EBL) doğrudan ölçümü, yıldız oluşumunun entegre kozmolojik tarihi, metal ve toz üretimi ve yıldız ışığının toz tarafından kızılötesi emisyonlara dönüştürülmesi üzerinde önemli kısıtlamalar sağlayabilir.

140 ila 5000 μm'de DIRBE ve FIRAS'ın sonuçlarına bakarak, entegre EBL yoğunluğunun ≈16 nW/(m 2 ·sr) olduğunu saptayabiliriz . Bu, nükleosentez sırasında salınan enerji ile tutarlıdır ve evrenin tarihi boyunca helyum ve metallerin oluşumunda salınan toplam enerjinin yaklaşık %20-50'sini oluşturur. Yalnızca nükleer kaynaklara atfedilen bu yoğunluk, büyük patlama nükleosentez analizinin ima ettiği baryonik kütle yoğunluğunun %5-15'inden fazlasının, yıldızlarda helyum ve daha ağır elementlere dönüştürüldüğü anlamına gelir.

Yıldız oluşumunda da önemli etkiler vardı . COBE gözlemleri, kozmik yıldız oluşum hızı üzerinde önemli kısıtlamalar sağlar ve çeşitli yıldız oluşum geçmişleri için EBL spektrumunu hesaplamamıza yardımcı olur. COBE tarafından yapılan gözlem, z ≈ 1.5'lik kırmızıya kaymalarda yıldız oluşum hızının, UV-optik gözlemlerden çıkarılandan 2 kat daha büyük olmasını gerektirir. veya gözlenen galaksilerdeki aşırı tozlu yıldız oluşum bölgeleri. Kesin yıldız oluşum geçmişi COBE tarafından açık bir şekilde çözülemez ve gelecekte daha fazla gözlem yapılmalıdır.

30 Haziran 2001'de NASA, DMR Baş Araştırmacı Yardımcısı Charles L. Bennett tarafından yönetilen COBE'ye bir takip görevi başlattı . Wilkinson Microwave Anisotropy Probe açıklık ve Cobe başarıları üzerine genişletmiştir. Avrupa Uzay Ajansı'nın araştırması olan WMAP'in ardından Planck , arka planın haritalandığı çözünürlüğü artırmaya devam etti.

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar