Kosmischer Hintergrund-Explorer - Cosmic Background Explorer

Kosmischer Hintergrund-Explorer
Kosmischer Hintergrund Explorer Raumschiff model.png
Künstlerisches Konzept der Raumsonde COBE
Namen Entdecker 66
Missionstyp CMBR- Astronomie
Operator NASA
COSPAR-ID 1989-089A
SATCAT- Nr. 20322
Webseite lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe
Missionsdauer Finale: 4 Jahre, 1 Monat, 5 Tage
Eigenschaften von Raumfahrzeugen
Hersteller GSFC
Startmasse 2.270 kg (5.000 lb)
Trockenmasse 1.408 kg (3.104 lb)
Maße 5,49 × 2,44 m (18,0 × 8,0 Fuß)
Leistung 542 W
Missionsbeginn
Erscheinungsdatum 18. November 1989, 14:34 UTC ( 1989-11-18UTC14:34 ) 
Rakete Delta 5920-8
Startplatz SLC-2W Vandenberg
Ende der Mission
Entsorgung Stillgelegt
Deaktiviert 23. Dezember 1993 ( 1993-12-24 )
Bahnparameter
Referenzsystem Geozentrisch
Regime Sonnensynchron
Halbgroße Achse 7.255 km (4.508 Meilen)
Exzentrizität 0,0009394
Perigäumhöhe 877,8 km (545,4 mi)
Apogäumshöhe 891,4 km (553,9 Meilen)
Neigung 98,9808 Grad
Zeitraum 102,5 Minuten
RAAN 215,4933 Grad
Argument des Perigäums 52.8270 Grad
Mittlere Anomalie 351.1007 Grad
Mittlere Bewegung 14.04728277 U/Tag
Epoche 21. Juli 2015, 15:14:58 UTC
Revolution Nr. 31549
Hauptteleskop
Typ Off-Axis Gregorian (DIRBE)
Durchmesser 19 cm (7,5 Zoll)
Wellenlängen Mikrowelle , Infrarot
Instrumente
Cosmic Background Explorer logo.jpg
NASA COBE-Logo
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Der Cosmic Background Explorer ( COBE / k b i / ), auch als bezeichnet Explorer 66 , war ein Satellit gewidmet Kosmologie , die von 1989 bis 1993 seine Ziele waren betrieben , um das untersuchen kosmischen Mikrowellen - Hintergrundstrahlung (CMB) von des Universums und liefern Messungen, die unser Verständnis des Kosmos formen helfen .

COBE der Messungen vorgesehen zwei wichtige Beweisstücke, die die unterstützt Big Bang Theorie des Universums: dass der CMB ein nahezu perfektes hat Schwarzkörperspektrum , und dass es sehr schwach Anisotropien . Zwei der Hauptforscher von COBE, George Smoot und John Mather , erhielten 2006 den Nobelpreis für Physik für ihre Arbeit an dem Projekt. "Das COBE-Projekt kann auch als Ausgangspunkt für die Kosmologie als Präzisionswissenschaft angesehen werden" , so das Nobelpreiskomitee .

COBE war nach RELIKT-1 der zweite CMB-Satellit, gefolgt von zwei fortschrittlicheren Raumfahrzeugen: der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, die von 2001 bis 2010 betrieben wurde, und der Planck-Raumsonde von 2009 bis 2013.

Geschichte

Im Jahr 1974 gab die NASA eine Announcement of Opportunity für astronomische Missionen heraus, die ein kleines oder mittelgroßes Explorer- Raumschiff verwenden würden. Von 121 eingegangenen Vorschlägen beschäftigten sich drei mit der Untersuchung der kosmologischen Hintergrundstrahlung. Obwohl diese Vorschläge gegenüber dem Infrarot-Astronomischen Satelliten (IRAS) verloren gingen, veranlasste ihre Stärke die NASA, die Idee weiter zu untersuchen. 1976 bildete die NASA ein Komitee aus Mitgliedern jedes der drei Vorschlagsteams von 1974, um ihre Ideen für einen solchen Satelliten zusammenzustellen. Ein Jahr später schlug dieses Komitee einen polarumlaufenden Satelliten namens COBE vor, der entweder mit einer Delta-Rakete oder dem Space Shuttle gestartet werden sollte . Es würde die folgenden Instrumente enthalten:

Instrumente
Instrument Akronym Beschreibung Hauptermittler
Differential-Mikrowellen-Radiometer DMR ein Mikrowelleninstrument , das Variationen (oder Anisotropien) im CMB . abbildet George Smoot
Ferninfrarot-Absolutspektrophotometer FIRAS ein Spektrophotometer zur Messung des Spektrums des CMB John Mather
Diffuses Infrarot-Hintergrundexperiment DIRBE ein Multiwellenlängen-Infrarotdetektor zur Kartierung von Staubemissionen Mike Hauser
Start der Raumsonde COBE am 18. November 1989.

Die NASA akzeptierte den Vorschlag unter der Bedingung, dass die Kosten unter 30 Millionen US-Dollar bleiben, ohne Trägerrakete und Datenanalyse. Aufgrund von Kostenüberschreitungen im Explorer-Programm durch IRAS wurde erst 1981 mit dem Bau des Satelliten im Goddard Space Flight Center (GSFC) begonnen. Um Kosten zu sparen, würden die Infrarot-Detektoren und das Flüssig- Helium- Dewar auf COBE ähnlich wie die verwendeten sein auf IRAS .

COBE sollte ursprünglich 1988 von der Vandenberg Air Force Base auf einer Space-Shuttle- Mission STS-82-B gestartet werden , aber die Challenger-Explosion verzögerte diesen Plan, als die Shuttles am Boden waren. Die NASA hielt die Ingenieure von COBE davon ab, zu anderen Weltraumbehörden zu gehen, um COBE zu starten, aber schließlich wurde am 18. November 1989 an Bord einer Delta-Rakete eine neu gestaltete COBE in eine sonnensynchrone Umlaufbahn gebracht . Ein Team amerikanischer Wissenschaftler gab am 23. April 1992 bekannt, dass sie in den Daten von COBE die Ur-"Samen" (CMBE-Anisotropie) gefunden haben. Die Ankündigung wurde weltweit als grundlegende wissenschaftliche Entdeckung gemeldet und lief auf der Titelseite der New York Times .

Der Nobelpreis für Physik für 2006 wurde gemeinsam John C. Mather, NASA Goddard Space Flight Center, und George F. Smoot, University of California, Berkeley , "für ihre Entdeckung der Schwarzkörperform und Anisotropie der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung" verliehen ."

Raumfahrzeug

COBE war ein Satellit der Explorer-Klasse, dessen Technologie stark von IRAS übernommen wurde, aber einige einzigartige Eigenschaften aufwies.

Die Notwendigkeit, alle Quellen systematischer Fehler zu kontrollieren und zu messen, erforderte ein rigoroses und integriertes Design. COBE müsste für mindestens 6 Monate in Betrieb sein und das Ausmaß der Funkstörungen vom Boden, von COBE und anderen Satelliten sowie von Strahlungsstörungen von Erde , Sonne und Mond einschränken . Die Instrumente erforderten Temperaturstabilität und zur Aufrechterhaltung der Verstärkung sowie ein hohes Maß an Sauberkeit, um das Eindringen von Streulicht und die thermische Emission von Partikeln zu reduzieren.

Die Notwendigkeit, den systematischen Fehler bei der Messung der CMB-Anisotropie und der Messung der Zodiakalwolke bei verschiedenen Elongationswinkeln für die anschließende Modellierung zu kontrollieren, erforderte, dass sich der Satellit mit einer Rotationsrate von 0,8 U/min dreht. Die Spinachse ist auch aus dem Bahngeschwindigkeitsvektor zurückgekippt, als Vorsichtsmaßnahme gegen mögliche Ablagerungen von atmosphärischem Restgas auf der Optik sowie gegen das Infrarotglühen, das entstehen würde, wenn schnelle neutrale Teilchen mit extrem hoher Geschwindigkeit auf ihre Oberflächen treffen.

COBEDiagramm.jpg

Um die Doppel Anforderungen der langsamen Rotation und Drei-Achsen - Lageregelung, ein ausgefeiltes Paar Gierwinkel zu treffen Impulsräder wurden mit ihrer Achse entlang der Spinachse orientiert eingesetzt. Diese Räder wurden verwendet, um einen Drehimpuls zu tragen, der dem des gesamten Raumfahrzeugs entgegengesetzt ist, um ein Null-Netto-Drehimpulssystem zu schaffen.

Die Umlaufbahn würde sich anhand der Besonderheiten der Mission des Raumfahrzeugs als bestimmt erweisen. Die vorrangigen Überlegungen waren die Notwendigkeit einer vollständigen Himmelsabdeckung, die Notwendigkeit, Streustrahlung von den Instrumenten zu eliminieren und die Notwendigkeit, die thermische Stabilität des Dewars und der Instrumente aufrechtzuerhalten. Eine kreisförmige sonnensynchrone Umlaufbahn erfüllte all diese Anforderungen. Eine Umlaufbahn von 900 km Höhe mit einer Neigung von 99° wurde gewählt, da sie in die Fähigkeiten eines Shuttles (mit einem Hilfsantrieb auf COBE) oder einer Delta-Rakete passte . Diese Höhe war ein guter Kompromiss zwischen der Erdstrahlung und den geladenen Teilchen in den Strahlungsgürteln der Erde in größeren Höhen. Ein aufsteigender Knoten um 18 Uhr wurde gewählt, damit COBE das ganze Jahr über der Grenze zwischen Sonnenlicht und Dunkelheit auf der Erde folgen kann.

Die Umlaufbahn in Kombination mit der Drehachse ermöglichte es, die Erde und die Sonne kontinuierlich unter der Ebene des Schildes zu halten, was alle sechs Monate einen vollständigen Himmelsscan ermöglichte.

Die letzten beiden wichtigen Teile der COBE-Mission waren der Dewar und der Sonne-Erde-Schild. Der Dewar war ein 650-Liter-Superfluid-Helium-Kryostat, der die FIRAS- und DIRBE-Instrumente während der Mission gekühlt halten sollte. Es basierte auf dem gleichen Design wie bei IRAS und war in der Lage, Helium entlang der Spinachse in der Nähe der Kommunikationsarrays abzulassen. Der konische Sonne-Erde-Schirm schützte die Instrumente vor direkter Sonnen- und Erdstrahlung sowie Funkstörungen von der Erde und der Sendeantenne des COBE. Seine mehrlagigen Isolierdecken sorgten für eine thermische Isolierung des Dewars.

Wissenschaftliche Erkenntnisse

Die berühmte Karte der CMB-Anisotropie, die aus Daten der Raumsonde COBE erstellt wurde.

Die wissenschaftliche Mission wurde von den drei zuvor beschriebenen Instrumenten durchgeführt: DIRBE, FIRAS und dem DMR. Die Instrumente überlappten sich in der Wellenlängenabdeckung und boten eine Konsistenzprüfung der Messungen in den Bereichen der spektralen Überlappung und Unterstützung bei der Unterscheidung von Signalen aus unserer Galaxie, unserem Sonnensystem und CMB.

Die Instrumente von COBE würden jedes ihrer Ziele erfüllen und auch Beobachtungen machen, die Auswirkungen außerhalb des ursprünglichen Anwendungsbereichs von COBE hätten.

Schwarzkörperkurve von CMB

Daten von COBE zeigten eine perfekte Übereinstimmung zwischen der von der Urknalltheorie vorhergesagten Schwarzkörperkurve und der im Mikrowellenhintergrund beobachteten.

Während des etwa 15-jährigen Zeitraums zwischen dem Vorschlag und dem Start von COBE gab es zwei bedeutende astronomische Entwicklungen. Zunächst gaben 1981 zwei Astronomenteams, eines unter der Leitung von David Wilkinson von der Princeton University und das andere von Francesco Melchiorri von der Universität Florenz , gleichzeitig bekannt, dass sie mit ballongetragenen Instrumenten eine Quadrupolverteilung von CMB entdeckten. Dieses Ergebnis wäre der Nachweis der Schwarzkörperverteilung von CMB gewesen, die FIRAS auf COBE messen sollte. Insbesondere behauptete die Florence-Gruppe, in Übereinstimmung mit späteren Messungen des BOOMERanG-Experiments, mittlere Anisotropien im Winkelmaßstab im Bereich von 100 Mikrokelvin nachzuweisen .

Vergleich der CMB- Ergebnisse von COBE, WMAP und Planck - 21. März 2013.

Eine Reihe anderer Experimente versuchten jedoch, ihre Ergebnisse zu duplizieren, und waren dazu nicht in der Lage.

Zweitens gab 1987 ein japanisch-amerikanisches Team unter der Leitung von Andrew Lange und Paul Richards von der UC Berkeley und Toshio Matsumoto von der Nagoya University bekannt, dass CMB kein echter schwarzer Körper ist. In einem Höhenforschungsraketen- Experiment entdeckten sie einen Helligkeitsüberschuss bei 0,5 und 0,7 mm Wellenlänge.

Angesichts dieser Entwicklungen als Hintergrund für die Mission von COBE warteten die Wissenschaftler mit Spannung auf die Ergebnisse von FIRAS. Die Ergebnisse von FIRAS waren insofern verblüffend, als sie eine perfekte Anpassung des CMB und der theoretischen Kurve für einen Schwarzen Körper bei einer Temperatur von 2,7 K zeigten, wodurch die Berkeley-Nagoya-Ergebnisse falsch waren.

FIRAS-Messungen wurden durchgeführt, indem die spektrale Differenz zwischen einem 7°-Feld des Himmels gegen einen internen schwarzen Körper gemessen wurde. Das Interferometer in FIRAS deckte zwischen 2 und 95 cm –1 in zwei Banden ab, die bei 20 cm –1 getrennt waren . Es gibt zwei Scanlängen (kurz und lang) und zwei Scangeschwindigkeiten (schnell und langsam) für insgesamt vier verschiedene Scanmodi. Die Daten wurden über einen Zeitraum von zehn Monaten erhoben.

Intrinsische Anisotropie von CMB

Daten, die bei jeder der drei DMR-Frequenzen – 31,5, 53 und 90 GHz – nach Dipolsubtraktion erhalten wurden

Das DMR konnte vier Jahre damit verbringen, die nachweisbare Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung zu kartieren, da es das einzige Instrument war, das nicht von der Heliumversorgung des Dewars abhängig war, um es gekühlt zu halten. Diese Operation war in der Lage, vollständige Himmelskarten des CMB zu erstellen, indem galaktische Emissionen und Dipole bei verschiedenen Frequenzen abgezogen wurden. Die kosmischen Mikrowellen-Hintergrundfluktuationen sind extrem schwach, nur ein Teil von 100.000 im Vergleich zur durchschnittlichen Temperatur des Strahlungsfelds von 2,73 Kelvin . Die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung ist ein Überbleibsel des Urknalls und die Fluktuationen sind der Abdruck des Dichtekontrasts im frühen Universum. Es wird angenommen, dass die Dichtewellen die Strukturbildung verursacht haben, wie sie heute im Universum beobachtet wird: Galaxienhaufen und riesige Regionen ohne Galaxien (NASA).

Frühe Galaxien erkennen

DIRBE entdeckte auch 10 neue fern-IR-emittierende Galaxien in der nicht von IRAS vermessenen Region sowie neun weitere Kandidaten im schwachen fernen IR, bei denen es sich möglicherweise um Spiralgalaxien handelt .

Galaxien, die bei 140 und 240 µm entdeckt wurden, konnten auch Informationen über sehr kalten Staub (VCD) liefern. Bei diesen Wellenlängen können Masse und Temperatur von VCD abgeleitet werden.

Als diese Daten mit 60- und 100-μm-Daten von IRAS kombiniert wurden, stellte sich heraus, dass die Ferninfrarot-Leuchtkraft von kaltem (≈17–22 K) Staub in Verbindung mit diffusen HI- Zirruswolken stammt, 15-30% von kaltem (≈ 19 K) Staub in Verbindung mit molekularem Gas und weniger als 10 % von warmem (≈29 K) Staub in den ausgedehnten HII-Regionen niedriger Dichte .

DIRBE

Modell der galaktischen Scheibe von der Kante aus von unserer Position aus gesehen

Neben den Erkenntnissen, die DIRBE zu Galaxien hatte, leistete es noch zwei weitere bedeutende Beiträge zur Wissenschaft. Das DIRBE-Instrument konnte Studien zu interplanetarem Staub (IPD) durchführen und feststellen, ob dieser von Asteroiden- oder Kometenpartikeln stammt. Die bei 12, 25, 50 und 100 µm gesammelten DIRBE-Daten konnten den Schluss ziehen, dass Körner asteroidalen Ursprungs die IPD-Banden und die glatte IPD-Wolke bevölkern.

Der zweite Beitrag, den DIRBE leistete, war ein Modell der galaktischen Scheibe von unserer Position aus gesehen von der Kante aus. Wenn unsere Sonne dem Modell zufolge 8,6 kpc vom galaktischen Zentrum entfernt ist, dann befindet sich die Sonne 15,6 pc über der Mittelebene der Scheibe, die eine radiale und vertikale Skalenlänge von 2,64 bzw. 0,333 kpc hat und in a . verzerrt ist Weise konsistent mit der HI-Schicht. Es gibt auch keinen Hinweis auf eine dicke Scheibe.

Um dieses Modell zu erstellen, musste die IPD von den DIRBE-Daten abgezogen werden. Es wurde festgestellt, dass diese Wolke, die von der Erde aus gesehen Zodiakallicht ist , nicht wie bisher angenommen auf der Sonne zentriert war, sondern an einem Ort im Weltraum, der einige Millionen Kilometer entfernt ist. Dies ist auf den Gravitationseinfluss von Saturn und Jupiter zurückzuführen .

Kosmologische Implikationen

Zusätzlich zu den wissenschaftlichen Ergebnissen, die im letzten Abschnitt beschrieben wurden, bleiben zahlreiche kosmologische Fragen durch die Ergebnisse von COBE unbeantwortet. Eine direkte Messung des extragalaktischen Hintergrundlichts (EBL) kann auch wichtige Einschränkungen für die integrierte kosmologische Geschichte der Sternentstehung, der Metall- und Staubproduktion und der Umwandlung von Sternenlicht in Infrarotemissionen durch Staub liefern.

Wenn wir die Ergebnisse von DIRBE und FIRAS im Bereich 140 bis 5000 μm betrachten, können wir feststellen, dass die integrierte EBL-Intensität ≈16 nW/(m 2 ·sr) beträgt . Dies stimmt mit der während der Nukleosynthese freigesetzten Energie überein und macht etwa 20–50% der gesamten Energie aus, die bei der Bildung von Helium und Metallen im Laufe der Geschichte des Universums freigesetzt wurde. Diese Intensität wird nur nuklearen Quellen zugeschrieben und bedeutet, dass mehr als 5–15% der baryonischen Massendichte, die durch die Urknall-Nukleosyntheseanalyse impliziert wird, in Sternen zu Helium und schwereren Elementen verarbeitet wurde.

Es gab auch bedeutende Auswirkungen auf die Sternentstehung . COBE-Beobachtungen liefern wichtige Einschränkungen für die kosmische Sternentstehungsrate und helfen uns, das EBL-Spektrum für verschiedene Sternentstehungsgeschichten zu berechnen. Beobachtungen von COBE erfordern, dass die Sternentstehungsrate bei Rotverschiebungen von z ≈ 1,5 um den Faktor 2 größer ist als die aus UV-optischen Beobachtungen abgeleitete. Diese überschüssige Sternenergie muss hauptsächlich von massereichen Sternen in noch unentdeckten staubumhüllten Galaxien erzeugt werden oder extrem staubige Sternentstehungsregionen in beobachteten Galaxien. Die genaue Sternentstehungsgeschichte kann von COBE nicht eindeutig aufgeklärt werden und weitere Beobachtungen müssen in Zukunft gemacht werden.

Am 30. Juni 2001 startete die NASA eine Folgemission zu COBE unter der Leitung von Charles L. Bennett, dem stellvertretenden Hauptermittler des DMR . Die Wilkinson Microwave Anisotropy Probe hat die Errungenschaften von COBE verdeutlicht und erweitert. Nach WMAP, der Sonde der Europäischen Weltraumorganisation, hat Planck die Auflösung, mit der der Hintergrund kartiert wurde, weiter erhöht.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Weiterlesen

Externe Links