WMAP () — космічний апарат NASA для вимірювання анізотропії реліктового випромінювання. Зонд працював з 2001 по 2010 рік поблизу точки Лагранжа L-2 і вимірював різницю температур в космічному мікрохвильовому фоні — теплового випромінювання, що залишилося після Великого вибуху.
Вимірювання WMAP відіграли ключову роль у створенні сучасної стандартної моделі космології — Лямбда-CDM, в котрій вік всесвіту становить 13.772±0.059 мільярдів років. Місія WMAP визначила вік Всесвіту з точністю до 1%. Також вимірювання WMAP в 2008 році вперше виявили дані, що свідчать на користь існування нейтринного реліктового випромінювання.
Місія, очолювана професором Чарльзом Л. Беннеттом з Університету Джона Гопкінса, була розроблена у спільному партнерстві між Центром космічних польотів NASA ім. Годдарда та Принстонським університетом . Космічний апарат WMAP був запущений 30 червня 2001 року зі штату Флорида. Місія WMAP прийшла на зміну космічній місії COBE. Він став другим космічним апаратом середнього класу (MIDEX) у програмі NASA Explorer. У 2003 році MAP було перейменовано на WMAP на честь космолога Девіда Тодда Вілкінсона (1935–2002), який був членом наукової команди місії. Після дев'яти років роботи WMAP було вимкнено у 2010 році, після запуску Європейським космічним агентством (ESA) у 2009 році більш досконалого космічного телескопа Planck.
У жовтні 2010 року космічний апарат WMAP був ліквідований на геліоцентричній орбіті захоронення після дев'яти років роботи.
Цілі та тривалість місії Метою WMAP було вимірювання температурних відмінностей у космічному мікрохвильовому фоновому випромінюванні (CMB), що потім використовувалось би для вимірювання геометрії, вмісту та еволюції Всесвіту, а також для перевірки моделі Великого вибуху і теорії космічної інфляції. Для цього місія створила карту CMB на все небо з роздільною здатністю 13 кутових мінут за допомогою багаточастотних спостережень. Карта вимагала найменшої кількості систематичних помилок, відсутності корельованого піксельного шуму і чіткого калібрування, щоб забезпечити кутову точність, вищу за роздільну здатність. Кінцевий результат карти містив 3 145 728 пікселів і використовував схему для пікселізації сфери. Телескоп також мав вимірювати поляризацію реліктового випромінювання Е-типу, і поляризацію переднього плану.
Спочатку для WMAP було передбачено два роки спостережень. Термін служби телескопа мав становити 27 місяців; 3 місяці для досягнення точки L2, і 2 роки спостережень. Цей період завершився у вересні 2003 року. Розширення терміну місії було зроблено в 2002, 2004, 2006 і 2008 роках, що дало космічному апарату в цілому 9 років спостережень, які закінчилися в серпні 2010 року, а в жовтні 2010 року космічний корабель був переміщений на «кладовище» на геліоцентричній орбіті. Зонд збирав інформацію до 19 серпня 2010 року, а 19 жовтня апарат отримав останній сигнал і продовжив спостереження в режимі тиші до розрядження батареї.
Розробка
WMAP передували дві місії для спостереження CMB: радянський RELIKT-1, який повідомив про вимірювання верхньої межі анізотропії CMB, і американський супутник COBE, який першим повідомив про великомасштабні флуктуації CMB. WMAP був у 45 разів чутливішим, з кутовою роздільною здатністю в 33 рази більшою, ніж його супутник-попередник COBE.
Місія була запропонована НАСА в 1995 році, відібрана для дослідження в 1996 році і затверджена для розробки в 1997 році. WMAP було створено та випробувано в Центрі космічних польотів Ґоддарда в Гринбелті, штат Меріленд. 30 червня 2001 року зонд стартував з бази ВПС США на мисі Канаверал на ракеті Delta-2 по траєкторії до точки Лагранжа L-2 системи Земля-Сонце.
Космічний апарат + Основні характеристики Критерій Значення Охоплення неба все небо Оптична система двостороннє грегоріанське дзеркало,1.4 м × 1.6 м Радіометрична система поляризаційно-чутливий псевдокореляційний диференціал Виявлення підсилювачі HEMT Радіометрична модуляція перемикач фаз 2,5 кГц Модуляція обертання обертання космічного корабля 0,464 об/хв ≈ 7,57 мГц Модуляція прецесії прецесія космічного корабля 1 rev hr-1≈0,3 мГц Калібрування у польоті: амплітуда від дипольної модуляції, випромінювання від Юпітера Система охолодження пасивне охолодження до ~90° К Контроль позиції керований 3-осьовий, 3 колеса, гіроскопи, трекери зірок, сонячні датчики Рушій гідразиновий продув із 8 двигунами Радіозв'язок транспондери 2 ГГц, 667 кбіт/с низхідна лінія зв'язку до 70 м DSN 419 Вт Вага 840 кг
Основою WMAP є масив сонячних панелей діаметром 5,0 м, який утримує інструменти в тіні під час спостережень реліктового випромінювання (утримуючи корабель постійно під кутом 22° відносно Сонця). На масиві розташовані нижній відсік (підтримує теплі компоненти) і верхній відсік. Холодні компоненти телескопа: решітка фокальної площини та дзеркала відокремлені від теплих компонентів циліндричною теплоізоляційною оболонкою довжиною 33 см на вершині відсіку.
Пасивні теплові радіатори охолоджують WMAP приблизно до 90° K; їх підключають до малошумних підсилювачів. Телескоп споживає 419 Вт електроенергії. Доступні обігрівачі телескопа є обігрівачами для аварійного виживання, а також є нагрівач передавача, який використовується для підігріву, коли вони вимкнені. Температура космічного корабля WMAP контролюється платиновими термометрами опору.
Калібрування WMAP здійснюється за допомогою диполя CMB і вимірювань Юпітера; діаграми променів вимірюються відносно Юпітера. Дані телескопа щодня передаються через транспондер на частоті 2 ГГц, який забезпечує низхідну лінію зв’язку 667 кбіт/с на станцію Deep Space Network на відстані 70 м. Космічний корабель має два транспондери, один резервний; вони мінімально активні – приблизно 40 хвилин на день – щоб мінімізувати радіочастотні перешкоди. Положення телескопа за трьома осями підтримується трьома реактивними колесами, гіроскопами, двома датчиками відстеження зірок і датчиками Сонця, а також керується вісьмома гідразиновими двигунами.
Інструменти WMAP
WMAP складається з набору пасивно охолоджуваних мікрохвильових радіометрів (підключених до радіаторних панелей за допомогою металевих ременів) з основними рефлекторами діаметром 1,4 x 1,6 метра для забезпечення бажаної кутової роздільної здатності.
Основні дзеркала телескопа — це пара Грегоріанських дзеркал розміром 1,4 × 1,6 м, спрямованих у протилежні сторони, які фокусують сигнал на пару вторинних дзеркал розміром 0,9 × 1,0 м. Вони мають оптимальну форму: корпус із вуглецевого волокна на серцевині Korex, тонко вкритій алюмінієм і оксидом кремнію. Вторинні рефлектори передають сигнали на гофровані рупори, розташовані на решітці фокальної площини під основними дзеркалами.
Приймачі є чутливими до поляризації диференціальними радіометрами, що вимірюють різницю між двома променями телескопа. Сигнал підсилюється малошумними підсилювачами на транзисторах з високою мобільністю електронів (HEMT), створеними Національною радіоастрономічною обсерваторією (NRAO). Є 20 каналів, по 10 в кожному напрямку, з яких радіометр збирає сигнали; мірою є різниця в сигналі від неба з протилежних напрямків. Азимут поділу 180°; повний кут 141°. Щоб покращити віднімання сигналів переднього плану від нашої галактики Чумацький Шлях, WMAP використовував п’ять дискретних діапазонів радіочастот, від 23 ГГц до 94 ГГц.
Обсерваторія WMAP має двосторонню оптичну систему, яка забезпечує диференціальне вимірювання неба. Верхня частина апарата, що знаходиться над білим циліндром, охолоджується великими вертикальними пластинами радіатора. Нижня пластина захищає механізм від потужних мікрохвиль Сонця та Землі.
Прилад має п'ять частотних діапазонів від 22 до 90 ГГц для полегшення відділення сигналів галактичного переднього плану від космічного фонового випромінювання.
+ Інструменти встановлені на телескоп Інструмент Опис (поле зору) Камера для K-діапазону (23 ГГц) 52.8 кутових мінут Камера для Ka-діапазону (33 ГГц) 39.6 кутових мінут Камера для Q-діапазону (41 ГГц) 30.6 кутових мінут Камера для V-діапазону (61 ГГц) 21 кутова мінута Камера для W-діапазону (94 ГГц) 13.2 кутових мінут
+ Властивості WMAP на різних частотах Властивість K-діапазон Ka-діапазон Q-діапазон V-діапазон W-діапазон Центральна довжина хвилі (мм) 13 9.1 7.3 4.9 3.2 Центральна частота (ГГц) 23 33 41 61 94 Пропускна здатність (ГГц) 5.5 7.0 8.3 14.0 20.5 Розмір променя (Кутова мінута) 52.8 39.6 30.6 21 13.2 Кількість радіометрів 2 2 4 4 8 Температура системи (K) 29 39 59 92 145 Чутливість (mK s) 0.8 0.8 1.0 1.2 1.6
Запуск, траєкторія та орбіта
Космічний апарат WMAP прибув до Космічного центру Кеннеді 20 квітня 2001 року. Після двомісячних випробувань він був запущений ракетою-носієм Delta II 7425 30 червня 2001 р. До запуску апарат працював на внутрішніх джерелах енергії аж до розгортання масиву сонячних панелей. 2 липня 2001 року він розпочав роботу, спочатку з тестування в польоті (з моменту запуску до 17 серпня 2001 року), а потім почав постійну роботу. Після цього він здійснив три фазові діаграми Земля-Місяць, вимірюючи бічні сторони Місяця, а 30 липня 2001 року пролетів повз Місяць, прямуючи до точки Сонце-Земля L2 Лагранжа, і прибув туди 1 жовтня 2001 року, ставши першою місією спостережень за реліктовим космічним випромінюванням, розміщеною в цій точці.
Розташування космічного апарата на орбіті точки Лагранжа 2 (1 500 000 км (930 000 миль) від Землі) мінімізує шкідливі сонячні спалахи. Щоб побачити все небо, не спостерігаючи Сонце, WMAP простежує шлях навколо L2 на орбіті Ліссажу приблизно від 1° до 10°, з періодом 6 місяців. Телескоп обертається кожні 2 хвилини 9 секунд (0,464 об/хв) і прецесує зі швидкістю 1 оберт на годину. WMAP вимірює все небо кожні півроку і завершив своє перше спостереження повного неба у квітні 2002 року.
Експеримент
Псевдокореляційний радіометр Прилад WMAP складається з псевдокореляційних диференціальних радіометрів, що живляться від двох розташованих один за одним 1,5 м (4 фути 11 дюймів) грегоріанських рефлекторів. Цей інструмент використовує п'ять частотних діапазонів від 22 ГГц до 90 ГГц, щоб полегшити відсіювання сигналів переднього плану від нашої власної Галактики. Інструмент WMAP має поле зору (FoV) 3,5° x 3,5°.
Вилучення випромінювання першого плану WMAP спостерігає на п'яти частотах, що дозволяє вимірювати і вилучати реліктове випромінювання першого плану (від Чумацького Шляху і позагалактичних джерел). Основними механізмами випромінювання є синхротронне випромінювання і гальмівне випромінювання (домінують на нижчих частотах), а також астрофізичне пилове випромінювання (домінує на вищих частотах). Спектральні властивості цих випромінювань вносять різний внесок у п'ять частот, що дозволяє їх ідентифікувати і вилучати з аналізу.
Забруднення переднього плану видаляють кількома способами. По-перше, віднімають збережені карти випромінювання з вимірювань WMAP; по-друге, використовують відомі спектральні значення компонентів для їх ідентифікації; по-третє, одночасно підганяють дані про положення і спектри випромінювання на передньому плані, використовуючи додаткові набори даних. Випромінювання першого плану було зменшено завдяки використанню лише частин карти повного неба з найменшим забрудненням першого плану, а решту частину карти було замасковано.
+ П'ятирічні моделі випромінювання на передньому плані, на різних частотах. Червоний - синхротронне; зелений - вільне; синій - тепловий пил. 23 ГГц 33 ГГЦ 41 ГГц 61 ГГЦ 94 ГГЦ
Вимірювання та відкриття Група науковців, що працювала з даними WMAP отримала багато важливих результатів та значно збільшила точність значень космологічних параметрів. Зокрема було уточнено інформацію щодо віку Всесвіту, щільності атомів та усієї іншої матерії, епохи, коли засяяли перші зірки і т. ін. Результати першого року досліджень