COBE

Cosmic Background Explorer (COBE), також відомий як Explorer 66 - супутник, космічна обсерваторія, присвячена космологічним дослідженням. Основним завданням обсерваторії було вивчення реліктового фону Всесвіту (іноді званого також мікрохвильовим фоном).

Спостереження обсерваторії дозволили виміряти характеристики реліктового фону Всесвіту з безпрецедентною точністю. Результати спостережень обсерваторії зробили величезний вплив на формування сучасної картини світу і утвердження теорії Великого вибуху як основної гіпотези формування Всесвіту.

Одним з основних результатів роботи обсерваторії стало вимір малих варіацій яскравості реліктового фону на небі. Двох наукових керівників програми COBE Джордж Смут і Джон Мазер в 2006 році були удостоєні Нобелівської премії з фізики за їх відкриття в області космології. Згідно з поданням Нобелівського комітету - "результати обсерваторії COBE є відправною точкою космології в якості точної науки".


1. Історія

На конкурс малих і середніх космічних обсерваторій, оголошений НАСА в 1974 році, серед 121 проекту 3 проекту обговорювали можливість дослідження мікрохвильового фону. Незважаючи на те що у вищезгаданому конкурсі ці проекти програли обсерваторії IRAS, НАСА не відмовилася від проведення досліджень в мікрохвильовому діапазоні. У 1976 році з учасників цих трьох проектів конкурсу 1974 була сформована комісія, завданням якої стало об'єднати три проекти в один. Через рік комісія запропонувала концепцію супутника на полярній орбіті COBE, який можна було б запустити за допомогою або ракети-носія Дельта, або шаттла. Наукова апаратура супутника повинна була складатися з таких інструментів: Differential Microwave Radiometer / DMR - високочутливий радіометр для вимірювання анізотропії яскравості реліктового випромінювання на небі (науковий керівник Дж. Смут), Far-InfraRed Absolute Spectrophotometer / FIRAS - спектрофотометр мікрохвильового та далекого інфрачервоного діапазону для вимірювання абсолютного спектру реліктового фону (науковий керівник Дж. Метер), Diffuse InfraRed Background Experiment / DIRBE - багатоканальний фотометр інфрачервоного діапазону (науковий керівник - М. Хаузер).

Запуск супутника COBE, 18 листопада 1989

З огляду на те, що планована вартість проекту становила менше 30 мільйонів доларів (без урахування ракети-носія і подальшого за спостереженнями аналізу даних), НАСА підтримала проект.

Через непередбачені перевитрат програми Explorer (в основному через роботи по супутнику IRAS), роботи по створенню COBE у центрі космічних польотів імені Годдарда були затримані до 1981 року. Для додаткової економії коштів детектори інфрачервоного діапазону і Дьюара для рідкого гелію, необхідні для роботи COBE, були точними копіями тих, які використовувалися для обсерваторії IRAS.

Надалі запланована орбіта супутника зазнала змін - замість полярної орбіти було вирішено використовувати геліо-синхронну орбіту і вивести обсерваторію за допомогою ракети-носія Дельта.


2. Супутник

Платформа обсерваторії COBE являла собою супутник серії Explorer з істотним уніфікованості із супутником обсерваторії IRAS.

Зважаючи дуже жорстких вимог щодо зменшення можливих систематичних похибок у вимірах, особлива увага приділялася боротьбі з паразитними сигналами з Землі, Місяця, Сонця, збільшенню стабільності робочих температур інструментів, їх амплітудних характеристик.

Для подальшого зменшення систематичних визначень вимірювань (наприклад, для обліку так званого зодіакального світла) і для можливого моделювання впливу паразитних сигналів супутнику було додано обертання з частотою 0,8 оборотів в хвилину.

Вісь обертання супутника була відхилена назад щодо вектора його швидкості для того, щоб зменшити можливе осідання залишків атмосферного газу і швидких частинок на оптику інструментів.

COBEDiagram.jpg

Для того, щоб поєднати вимогу щодо повільного обертання і можливості тривісного контролю орієнтації супутника була застосована складна система парних гіродінов з осями розташованими уздовж осі обертання супутника. Кутовий момент гіродінов підтримувався на рівні, щоб повний кутовий момент всього супутника був рівний нулю.

Визначальними вимоги для орбіти супутника були: необхідність мати повне покриття всього неба і підтримку максимальної температурної стабільності інструментів і Дьюара з рідким гелієм. Цим вимогам повністю задовольняла сонячно-синхронна орбіта. Орбіта з висотою 900 км і нахилом 99 дозволяла вивести супутник як за допомогою шаттла, так і за допомогою ракети Дельта, а також була розумним компромісом між потоком заряджених частинок поблизу Землі в на великому віддаленні від неї. Параметри орбіти і обертання супутника дозволяли завжди тримати Землю і Сонце під захисним екраном, в той же час маючи можливість покривати спостереженнями все небо.

Двома найважливішими складовими обсерваторії були дьюар з рідким гелієм і захисний екран. Дьюар містив 650 літрів сверхтекучего рідкого гелію, який дозволяв тримати інструменти FIRAS і DIRBE охолодженими протягом усього часу роботи місії. Конструкція дьюара була повністю аналогічної конструкції використаної на супутнику IRAS. Конічний захисний екран закривав інструменти COBE від випромінювання Сонця, Землі, а також від радіовипромінювання передавачів самого COBE.


3. Наукові результати

Карта анізотропії реліктового випромінювання за даними COBE

Основними науковими інструментами обсерваторії були DIRBE, FIRAS і DMR, коротенько описані вище. Спектральні діапазони інструментів частково перекривалися, що дозволяло проводити додаткові перевірки результатів інструментів на самосогласованность. Широкий спектральний діапазон інструментів дозволяв поділяти сигнали, що надходять від фізично різних джерел, власне реліктового випромінювання (дальньої Всесвіту), Сонячної системи і Галактики.


3.1. Спектр реліктового випромінювання

Дані спектрометра FIRAS обсерваторії COBE, що показують відмінне згоду виміряного спектру реліктового випромінювання з моделлю абсолютно чорного тіла, пророкує теорією Великого вибуху

У той час як розвивався проект COBE, в області досліджень реліктового фону відбулися важливі зміни. По-перше, вимірювання спектру реліктового випромінювання, проведені деякими групами, начебто вказували на наявність значних відхилень від моделі абсолютно чорного тіла, пророкує в теорії Великого Вибуху. По друге - дослідження, проведені за допомогою балонних експериментів [1] і за допомогою супутників (радянський експеримент " РЕЛІКТ-1 " [2] вказували на наявність малої анізотропії яскравості реліктового фону на масштабах кілька градусів. Спостереження балонні експериментів покривали тільки малу частину неба, в той час як космічний експеримент "Релікт-1" дозволив покрити значну частину неба. Однак, зважаючи на те , що вимірювання реліктового фону з такими точностями сильно залежать від точності врахування впливу випромінювання нашої Галактики, а вимірювання "Релікт-1" були проведені лише на одній частоті, повної впевненості в надійному виявленні кутовий анізотропії не було. У результаті вчені з нетерпінням чекали результати обсерваторії COBE.

Перші ж вимірювання спектру реліктового фону за допомогою апарату FIRAS (спектрометр вимірював різницю між спектральними потоками неба і потоками внутрішнього калібрувального чорного тіла) показали відмінну узгодженість з моделлю абсолютно чорного тіла з температурою близько 2,7 К. [3]


3.2. Внутрішня анізотропія реліктового тла

Карти неба, отримані радіометром DMR на частотах 31,5, 53 і 90 ГГц після вирахування дипольної компоненти реліктового випромінювання

Експеримент DMR, єдиний експеримент обсерваторії, працездатність якого не залежало від наявності рідкого гелію в Дьюара, полягав у чотирирічному вивченні анізотропії реліктового випромінювання в небі. Спостереження проводилися на декількох частотах, що дозволило врахувати внесок випромінювання Галактики. Ця особливість вимірювань DMR надзвичайно важлива з огляду на те, що варіації реліктового випромінювання на небі виявилися надзвичайно малі - всього 1/100000 від середнього значення яскравості неба. В даний час вважається, що варіації яскравості реліктового випромінювання на малих кутових масштабах відображають початкові обурення щільності первинної речовини ранньому Всесвіті, які потім розвинулися в результаті гравітаційної нестійкості в спостережувану великомасштабну структуру - скупчення галактик і порожнечі.


3.3. Відкриття DIRBE

Модель розподілу пилу в Галактиці за результатами спостережень експерименту DIRBE

Незважаючи на те що основні експерименти обсерваторії COBE були спрямовані на вивчення реліктового фону Всесвіту, фотометр інфрачервоного діапазону DIRBE зробив великий внесок у вивчення нашої Галактики. Зокрема, були проведені вимірювання зодіакального світла, результати яких до цих пір широко використовуються в інфрачервоної астрономії. За результатами вимірювань DIRBE були побудовані моделі розподілу пилу в нашій Галактиці. [4], масові моделі Галактики [5] [6] [7]


Примітки

  1. Fluctuations in the microwave background at intermediate angular scales - adsabs.harvard.edu/abs/1981ApJ...250L...1M
  2. The Relikt-1 experiment - New results - adsabs.harvard.edu/abs/1992MNRAS.258P..37S
  3. Cosmic microwave background dipole spectrum measured by the COBE FIRAS instrumen - adsabs.harvard.edu/abs/1994ApJ...420..445F
  4. Maps of Dust Infrared Emission for Use in Estimation of Reddening and Cosmic Mic - adsabs.harvard.edu/abs/1998ApJ...500..525S
  5. The photometric structure of the inner Galaxy - adsabs.harvard.edu/abs/1997MNRAS.288..365B
  6. Three-dimensional Structure of the Milky Way Disk: The Distribution of Stars and - adsabs.harvard.edu/abs/2001ApJ...556..181D
  7. COBE diffuse infrared background experiment observations of the galactic bulge - adsabs.harvard.edu/abs/1994ApJ...425L..81W
Перегляд цього шаблону Програма " Експлорер "
1958-1959
1960-1969

З-46 8 (С-30) С-56 9 (С-56А) З-45 10 (П-14) 11 (С-15) З-45А З-55 12 (EPE-A) 13 (С-55A) 14 (EPE-B) 15 (EPE-C) 16 (С-55б) 17 (AE-A) 18 (IMP-A) 19 (AD-A) 20 (IE-A) 21 (IMP-B) 22 (BE-B) 23 (С-55Ц) 24 (AD-B) 25 (Інья-4) 26 (EPE-D) 27 (BE-C) 28 (IMP-C) 29 (GEOS-1) 30 (Solrad-8) 31 (DME-A) 32 (AE-B) 33 (IMP-D) 34 (IMP-F) 35 (IMP-E) 35 (IMP-E) 36 (GEOS-2) 37 (Solrad-9) 38 (RAE-A) 39 (AD-C) 40 (Інья-4) 41 (IMP-G)

1970-1979

42 (Ухуру) 43 (IMP-H) 44 (Solrad-9) 45 (SSS-A) 46 (MTS) 47 (IMP-I) 48 (SAS-2) 49 (RAE-B) 50 (IMP-J) 51 (AE-C) 51 (Hawkeye-1) 53 (SAS-3) 54 (AE-D) 55 (AE-E) 56 (ISEE 1 & 2) 57 (IUE) 58 (HCMM) 59 (ICE) 60 (SAGE) 61 (MAGSAT)

1980-1989

62 (DE-1) 63 (DE-2) 64 (SME) 65 (CCE) 66 (COBE)

1990-1999

67 (EUVE) 68 (SAMPEX) 69 (RXTE) 70 (FAST) 71 (ACE) 72 (SNOE) 73 (TRACE) 74 (SWAS) 75 (WIRE) 76 (TERRIERS) 77 (FUSE)

2000-2009

78 (IMAGE) 79 (HETE-2) 80 (WMAP) 81 (RHESSI) 82 (CHIPSat) 83 (GALEX) 84 (Swift) 85-89 (THEMIS) 90 (AIM) 91 (IBEX) 92 (WISE)

Курсивом позначені невдалі запуски
Перегляд цього шаблону HST-SM4.jpeg Космічні телескопи
Діючі AGILE Akari Чандра COROT Гершель GLAST GALEX HETE-2 ✯ Хаббл Інтеграл Кеплер LEGRI MOST NuSTAR PAMELA Планк Радіоастрон RXTE Спітцер Odin ASTRO-E Swift SWAS Тесіс TRACE XMM-Newton
Заплановані TAUVEX (2012) PEGASE (2012) Astrosat (2013) Gaia (2013) Спектр РГ (2014) SAFIR (2015) Спектр-УФ (2016) Гамма-400 (2016) Solar Orbiter (2017) Cheops (2017) Джеймс Вебб (2018) Мілліметрон (2018) Озіріс (2018) Euclid (2018)
Запропоновані New Worlds Mission Dark Energy Space Telescope SNAP (2013) TESS Laser Interferometer Space Antenna (2020) IXO / XEUS (2021) Дарвін Constellation-X Observatory ATLAST
Історичні ABRAXIS ASCA ALEXIS Аріабата Astro 2 Астрон ANS BeppoSAX BBXRT Комптон Коперник Cos-B Cosmic Background Explorer Ейнштейн EXOSAT EUVE FUSE Гамма Ginga Глазар Гранат Хакуті HALCA HETE HEAO-1 HEAO-3 Hipparcos Infrared Space Observatory International Ultraviolet Explorer IRAS Midcourse Space Experiment OAO-2 РЕЛІКТ-1 ROSAT SAS-2 SAS-3 Tenma Wide Field Infrared Explorer Uhuru (SAS-A) WISE WMAP Yohkoh
Скасовані ASTRO-G Еддінгтон Space Interferometry Mission SPICA PLATO Terrestrial Planet Finder
Див також Астрономічний супутник Список космічних телескопів Список космічних апаратів з рентгенівськими і гамма-детекторами на борту Великі обсерваторії
Категорія