Esploratore di sfondi cosmici - Cosmic Background Explorer
 Concetto artistico della navicella spaziale COBE
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| nomi | Esploratore 66 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Tipo di missione | Astronomia CMBR | ||||||||
| Operatore | NASA | ||||||||
| ID COSPAR | 1989-089A | ||||||||
| SATCAT n. | 20322 | ||||||||
| Sito web | lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe | ||||||||
| Durata della missione | Finale: 4 anni, 1 mese, 5 giorni | ||||||||
| Proprietà del veicolo spaziale | |||||||||
| Produttore | GSFC | ||||||||
| Massa di lancio | 2.270 kg (5.000 libbre) | ||||||||
| Massa secca | 1.408 kg (3.104 libbre) | ||||||||
| Dimensioni | 5,49 × 2,44 m (18,0 × 8,0 piedi) | ||||||||
| Potenza | 542 W | ||||||||
| Inizio missione | |||||||||
| Ora di pranzo | 18 novembre 1989, 14:34 UTC | ||||||||
| Razzo | Delta 5920-8 | ||||||||
| Sito di lancio | SLC-2W Vandenberg | ||||||||
| Fine della missione | |||||||||
| Disposizione | dismesso | ||||||||
| disattivato | 23 dicembre 1993 | ||||||||
| Parametri orbitali | |||||||||
| Sistema di riferimento | Geocentrico | ||||||||
| Regime | Sincrono solare | ||||||||
| Semiasse maggiore | 7.255 chilometri (4.508 miglia) | ||||||||
| Eccentricità | 0.0009394 | ||||||||
| Altitudine del perigeo | 877,8 km (545,4 miglia) | ||||||||
| Altitudine dell'apogeo | 891,4 km (553,9 miglia) | ||||||||
| Inclinazione | 98,9808 gradi | ||||||||
| Periodo | 102,5 minuti | ||||||||
| RAAN | 215,4933 gradi | ||||||||
| Argomento del perigeo | 52,8270 gradi | ||||||||
| Anomalia media | 351.1007 gradi | ||||||||
| Movimento medio | 14.04728277 giri/giorno | ||||||||
| Epoca | 21 luglio 2015, 15:14:58 UTC | ||||||||
| Rivoluzione n. | 31549 | ||||||||
| Telescopio principale | |||||||||
| Tipo | Gregoriano fuori asse (DIRBE) | ||||||||
| Diametro | 19 cm (7,5 pollici) | ||||||||
| lunghezze d'onda | Microonde , Infrarossi | ||||||||
| Strumenti | |||||||||
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 Logo della NASA COBE | |||||||||
La Cosmic Background Explorer ( COBE / k oʊ b i / ), noto anche come Explorer 66 , era un satellite dedicato alla cosmologia , che ha operato dal 1989 al 1993. I suoi obiettivi erano di indagare la radiazione cosmica di fondo (CMB) di l' universo e fornire misurazioni che aiuterebbero a modellare la nostra comprensione del cosmo .
Le misurazioni di COBE hanno fornito due prove chiave a sostegno della teoria del Big Bang dell'universo: che il CMB ha uno spettro del corpo nero quasi perfetto e che ha anisotropie molto deboli . Due dei principali ricercatori di COBE, George Smoot e John Mather , hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 2006 per il loro lavoro sul progetto. Secondo il comitato del Premio Nobel, "il progetto COBE può essere considerato anche il punto di partenza per la cosmologia come scienza di precisione".
COBE è stato il secondo satellite CMB, dopo RELIKT-1 , ed è stato seguito da due veicoli spaziali più avanzati: la sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe operata dal 2001-2010 e la navicella spaziale Planck dal 2009-2013.
Storia
Nel 1974, la NASA ha pubblicato un annuncio di opportunità per missioni astronomiche che avrebbero utilizzato un veicolo spaziale Explorer di piccole o medie dimensioni . Delle 121 proposte ricevute, tre riguardavano lo studio della radiazione cosmologica di fondo. Sebbene queste proposte siano state perse dall'Infrared Astronomical Satellite (IRAS), la loro forza ha spinto la NASA a esplorare ulteriormente l'idea. Nel 1976, la NASA formò un comitato di membri da ciascuno dei tre gruppi di proposte del 1974 per mettere insieme le loro idee per un tale satellite. Un anno dopo, questo comitato suggerì che un satellite in orbita polare chiamato COBE fosse lanciato da un razzo Delta o dallo Space Shuttle . Conterrebbe i seguenti strumenti:
| Strumento | Acronimo | Descrizione | Investigatore principale |
|---|---|---|---|
| Radiometro differenziale a microonde | DMR | uno strumento a microonde che mapperebbe variazioni (o anisotropie) nel CMB | George Smooth |
| Spettrofotometro assoluto nel lontano infrarosso | FIRAS | uno spettrofotometro utilizzato per misurare lo spettro del CMB | Giovanni Mather |
| Esperimento di sfondo a infrarossi diffusi | DIRBE | un rilevatore a infrarossi a più lunghezze d'onda utilizzato per mappare l'emissione di polvere | Mike Hauser |
La NASA ha accettato la proposta a condizione che i costi fossero mantenuti sotto i 30 milioni di dollari, esclusi il lanciatore e l'analisi dei dati. A causa del superamento dei costi nel programma Explorer dovuto all'IRAS, i lavori per la costruzione del satellite presso il Goddard Space Flight Center (GSFC) non sono iniziati fino al 1981. Per risparmiare sui costi, i rilevatori a infrarossi e il dewar ad elio liquido su COBE sarebbero simili a quelli utilizzati su IRAS .
COBE è stato originariamente progettato per essere lanciato su uno Space Shuttle missione STS-82-B nel 1988 dalla Vandenberg Air Force Base , ma l' esplosione Challenger ritardato questo piano quando le navette erano a terra. La NASA ha impedito agli ingegneri di COBE di recarsi in altre agenzie spaziali per lanciare COBE, ma alla fine un COBE riprogettato è stato collocato in orbita eliosincrona il 18 novembre 1989 a bordo di un razzo Delta. Un team di scienziati americani ha annunciato, il 23 aprile 1992, di aver trovato i "semi" primordiali (anisotropia CMBE) nei dati del COBE. L'annuncio è stato riportato in tutto il mondo come una scoperta scientifica fondamentale ed è apparso sulla prima pagina del New York Times .
Il Premio Nobel per la Fisica per il 2006 è stato assegnato congiuntamente a John C. Mather, NASA Goddard Space Flight Center, e George F. Smoot, Università della California, Berkeley , "per la loro scoperta della forma del corpo nero e dell'anisotropia della radiazione cosmica di fondo a microonde. ."
Navicella spaziale
| Parte di una serie su |
| Cosmologia fisica |
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Il COBE era un satellite di classe Explorer, con una tecnologia fortemente mutuata dall'IRAS, ma con alcune caratteristiche uniche.
La necessità di controllare e misurare tutte le fonti di errori sistematici ha richiesto una progettazione rigorosa e integrata. COBE dovrebbe funzionare per un minimo di 6 mesi e limitare la quantità di interferenze radio da terra, COBE e altri satelliti, nonché le interferenze radiative da Terra , Sole e Luna . Gli strumenti richiedevano stabilità della temperatura e per mantenere il guadagno e un alto livello di pulizia per ridurre l'ingresso di luce diffusa e l'emissione termica da particolato.
La necessità di controllare l'errore sistematico nella misurazione dell'anisotropia CMB e di misurare la nuvola zodiacale a diversi angoli di allungamento per la successiva modellazione richiedeva che il satellite ruotasse a una velocità di rotazione di 0,8 giri/min. L'asse di rotazione è anche inclinato all'indietro rispetto al vettore di velocità orbitale come precauzione contro possibili depositi di gas atmosferico residuo sull'ottica e contro il bagliore infrarosso che risulterebbe da particelle neutre veloci che colpiscono le sue superfici a velocità estremamente elevata.
Al fine di soddisfare le doppie esigenze di rotazione lenta e controllo dell'assetto a tre assi, è stata impiegata una sofisticata coppia di ruote a momento angolare di imbardata con il loro asse orientato lungo l'asse di rotazione. Queste ruote sono state utilizzate per trasportare un momento angolare opposto a quello dell'intero veicolo spaziale al fine di creare un sistema di momento angolare netto zero.
L'orbita si sarebbe rivelata determinata in base alle specifiche della missione del veicolo spaziale. Le considerazioni principali erano la necessità di una copertura completa del cielo, la necessità di eliminare le radiazioni vaganti dagli strumenti e la necessità di mantenere la stabilità termica del dewar e degli strumenti. Un'orbita circolare eliosincrona soddisfaceva tutti questi requisiti. È stata scelta un'orbita di altitudine di 900 km con un'inclinazione di 99° in quanto si adattava alle capacità di uno Shuttle (con una propulsione ausiliaria su COBE) o di un razzo Delta. Questa altitudine era un buon compromesso tra la radiazione terrestre e la particella carica nelle cinture di radiazione terrestre ad altitudini più elevate. È stato scelto un nodo ascendente alle 18:00 per consentire a COBE di seguire il confine tra la luce del sole e l'oscurità sulla Terra durante tutto l'anno.
L'orbita combinata con l'asse di rotazione ha permesso di mantenere la Terra e il Sole continuamente al di sotto del piano dello scudo, consentendo una scansione completa del cielo ogni sei mesi.
Le ultime due parti importanti relative alla missione COBE erano il dewar e lo scudo Sole-Terra. Il dewar era un criostato di elio superfluido da 650 litri progettato per mantenere raffreddati gli strumenti FIRAS e DIRBE durante la durata della missione. Si basava sullo stesso design di quello utilizzato su IRAS ed era in grado di sfiatare l'elio lungo l'asse di rotazione vicino agli array di comunicazione. Lo schermo conico Sole-Terra proteggeva gli strumenti dalle radiazioni solari dirette e provenienti dalla Terra, nonché dalle interferenze radio provenienti dalla Terra e dall'antenna trasmittente del COBE. Le sue coperte isolanti multistrato fornivano l'isolamento termico per il dewar.
Risultati scientifici
La missione scientifica è stata condotta dai tre strumenti descritti in precedenza: DIRBE, FIRAS e il DMR. Gli strumenti si sono sovrapposti nella copertura della lunghezza d'onda, fornendo un controllo di coerenza sulle misurazioni nelle regioni di sovrapposizione spettrale e assistenza nella discriminazione dei segnali dalla nostra galassia, dal sistema solare e dalla CMB.
Gli strumenti di COBE soddisferebbero ciascuno dei loro obiettivi, oltre a fare osservazioni che avrebbero implicazioni al di fuori dell'ambito iniziale di COBE.
Curva del corpo nero di CMB
Durante il periodo di circa 15 anni tra la proposta e il lancio di COBE, ci sono stati due significativi sviluppi astronomici. Per prima cosa, nel 1981, due squadre di astronomi, una guidata da David Wilkinson dell'Università di Princeton e l'altra da Francesco Melchiorri dell'Università di Firenze , annunciarono contemporaneamente di aver rilevato una distribuzione a quadrupolo della CMB utilizzando strumenti a palloncino. Questa scoperta sarebbe stata la rilevazione della distribuzione del corpo nero di CMB che FIRAS su COBE doveva misurare. In particolare, il gruppo di Firenze ha affermato una rilevazione di anisotropie su scala angolare intermedia a livello di 100 microkelvin in accordo con misurazioni successive effettuate dall'esperimento BOOMERanG .
Tuttavia, un certo numero di altri esperimenti hanno tentato di duplicare i loro risultati e non sono stati in grado di farlo.
In secondo luogo, nel 1987 un team nippo-americano guidato da Andrew Lange e Paul Richards dell'UC Berkeley e Toshio Matsumoto dell'Università di Nagoya ha annunciato che la CMB non era quella di un vero corpo nero. In un esperimento con un razzo sonda , hanno rilevato una luminosità in eccesso a lunghezze d'onda di 0,5 e 0,7 mm.
Con questi sviluppi che fanno da sfondo alla missione di COBE, gli scienziati hanno atteso con impazienza i risultati di FIRAS. I risultati di FIRAS sono stati sorprendenti in quanto hanno mostrato un adattamento perfetto del CMB e della curva teorica per un corpo nero a una temperatura di 2,7 K, dimostrando così che i risultati di Berkeley-Nagoya sono errati.
Le misurazioni FIRAS sono state effettuate misurando la differenza spettrale tra una porzione di cielo di 7° contro un corpo nero interno. L'interferometro in FIRAS copriva tra 2 e 95 cm -1 in due bande separate a 20 cm -1 . Sono disponibili due lunghezze di scansione (breve e lunga) e due velocità di scansione (veloce e lenta) per un totale di quattro diverse modalità di scansione. I dati sono stati raccolti nell'arco di dieci mesi.
Anisotropia intrinseca di CMB
Il DMR è stato in grado di mappare per quattro anni l'anisotropia rilevabile della radiazione cosmica di fondo poiché era l'unico strumento non dipendente dalla fornitura di elio del dewar per mantenerlo raffreddato. Questa operazione è stata in grado di creare mappe del cielo complete della CMB sottraendo emissioni galattiche e dipolo a varie frequenze. Le fluttuazioni cosmiche di fondo delle microonde sono estremamente deboli, solo una parte su 100.000 rispetto alla temperatura media di 2,73 kelvin del campo di radiazione. La radiazione cosmica di fondo a microonde è un residuo del Big Bang e le fluttuazioni sono l'impronta del contrasto di densità nell'universo primordiale. Si ritiene che le increspature di densità abbiano prodotto la formazione di strutture osservate oggi nell'universo: ammassi di galassie e vaste regioni prive di galassie (NASA).
Rilevare le prime galassie
DIRBE ha anche rilevato 10 nuove galassie che emettono IR lontano nella regione non rilevata dall'IRAS e altre nove candidate nel debole IR lontano che potrebbero essere galassie a spirale .
Le galassie rilevate a 140 e 240 μm sono state anche in grado di fornire informazioni sulla polvere molto fredda (VCD). A queste lunghezze d'onda si possono ricavare la massa e la temperatura del VCD.
Quando questi dati sono stati uniti a dati di 60 e 100 μm presi da IRAS, è stato scoperto che la luminosità dell'infrarosso lontano deriva da polvere fredda (≈17-22 K) associata a cirri HI diffusi , 15-30% da freddo (≈ 19 K) polvere associata a gas molecolare e meno del 10% da polvere calda (≈29 K) nelle regioni HII estese a bassa densità .
DIRBE
Oltre alle scoperte che DIRBE ha avuto sulle galassie, ha dato anche altri due contributi significativi alla scienza. Lo strumento DIRBE è stato in grado di condurre studi sulla polvere interplanetaria (IPD) e determinare se la sua origine provenisse da asteroidi o particelle comete. I dati DIRBE raccolti a 12, 25, 50 e 100 μm sono stati in grado di concludere che i grani di origine asteroidale popolano le bande IPD e la nuvola IPD liscia.
Il secondo contributo di DIRBE è stato un modello del disco galattico visto di profilo dalla nostra posizione. Secondo il modello, se il nostro Sole si trova a 8,6 kpc dal centro galattico, allora il Sole è a 15,6pc sopra il piano medio del disco, che ha una lunghezza di scala radiale e verticale di 2,64 e 0,333 kpc, rispettivamente, ed è deformato in un modo coerente con lo strato HI. Non c'è nemmeno indicazione di un disco spesso.
Per creare questo modello, l'IPD doveva essere sottratto dai dati DIRBE. Si è scoperto che questa nuvola, che vista dalla Terra è luce zodiacale , non era centrata sul Sole, come si pensava in precedenza, ma su un luogo nello spazio a pochi milioni di chilometri di distanza. Ciò è dovuto all'influenza gravitazionale di Saturno e Giove .
Implicazioni cosmologiche
Oltre ai risultati scientifici dettagliati nell'ultima sezione, ci sono numerose domande cosmologiche lasciate senza risposta dai risultati di COBE. Una misurazione diretta della luce di fondo extragalattica (EBL) può anche fornire importanti vincoli alla storia cosmologica integrata della formazione stellare, della produzione di metallo e polvere e della conversione della luce stellare in emissioni infrarosse da polvere.
Osservando i risultati di DIRBE e FIRAS tra 140 e 5000 μm possiamo rilevare che l'intensità EBL integrata è ≈16 nW/(m 2 ·sr). Ciò è coerente con l'energia rilasciata durante la nucleosintesi e costituisce circa il 20-50% dell'energia totale rilasciata nella formazione di elio e metalli nel corso della storia dell'universo. Attribuita solo alle sorgenti nucleari, questa intensità implica che più del 5-15% della densità di massa barionica implicata dall'analisi della nucleosintesi del big bang è stata trasformata nelle stelle in elio e in elementi più pesanti.
C'erano anche implicazioni significative nella formazione delle stelle . Le osservazioni COBE forniscono importanti vincoli sul tasso di formazione stellare cosmica e ci aiutano a calcolare lo spettro EBL per varie storie di formazione stellare. L'osservazione fatta da COBE richiede che il tasso di formazione stellare a redshift di z ≈ 1,5 sia maggiore di quello dedotto dalle osservazioni ottiche UV di un fattore 2. Questa energia stellare in eccesso deve essere principalmente generata da stelle massicce in galassie avvolte da polvere non ancora rilevate o regioni di formazione stellare estremamente polverose nelle galassie osservate. L'esatta storia della formazione stellare non può essere risolta in modo univoco da COBE e ulteriori osservazioni devono essere fatte in futuro.
Il 30 giugno 2001, la NASA ha lanciato una missione di follow-up a COBE guidata dal vice ricercatore principale DMR Charles L. Bennett . Il Wilkinson Microwave Anisotropy Probe ha chiarito e ampliato le realizzazioni di COBE. A seguito di WMAP, la sonda dell'Agenzia spaziale europea, Planck ha continuato ad aumentare la risoluzione con cui è stato mappato lo sfondo.
Guarda anche
- 9997 COBE , un pianeta minore che prende il nome dall'esperimento.
- S150 Mappatura dei raggi X galattici
Appunti
Riferimenti
- Arny, Thomas T. (2002). Esplorazioni: un'introduzione all'astronomia (3a ed.). Dubuque, Iowa: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-241593-3.
- Liddle, AR; Lyth, DH (1993). "La perturbazione della densità della materia oscura fredda". Rapporto di fisica: sezione di revisione delle lettere di fisica . 231 (1–2): 1–105. arXiv : astro-ph/9303019 . Bibcode : 1993PhR...231....1L . doi : 10.1016/0370-1573(93)90114-S . S2CID 119084975 .
- Odenwald, S.; J. Newmark e G. Smoot (1998). "Uno studio di galassie esterne rilevate dal COBE Diffuse Infrared Background Experiment". Giornale Astrofisico . 500 (2): 554-568. arXiv : astro-ph/9610238 . Bibcode : 1998ApJ...500..554O . doi : 10.1086/305737 .
Ulteriori letture
- Madre, John C.; Boslough, John (1996). La primissima luce: la vera storia interiore del viaggio scientifico di ritorno all'alba dell'universo . New York: BasicBooks. ISBN 0-465-01575-1.
- Liscio, George; Davidson, Key (1993). Rughe nel tempo . New York: W. Morrow. ISBN 0-688-12330-9.
- WMAP
link esterno
- Il sito web della NASA su COBE
- Video informativo della NASA prima del lancio di COBE
- COBE Mission Profilo da Solar System Exploration della NASA
- Immagine APOD del dipolo COBE , che mostra il moto di 600 km/s della Terra rispetto alla radiazione cosmica di fondo
- Articolo di Cosmic Background Explorer da Scholarpedia