Relikvie-1

Relic-1 er det første eksperiment nogensinde til undersøgelse af relikviestråling fra et rumfartøj, udført på den sovjetiske satellit Prognoz-9 i 1983-1984. Som et resultat af eksperimentet blev der bygget et kort over fordelingen af ​​relikviestråling over himmelsfæren. En af hovedopgaverne i "Relikt-1"-eksperimentet var at påvise reliktstrålingens anisotropi . Efter behandling af dataene fra "Relikt-1" i 1992 blev anisotropien af ​​reliktstrålingen opdaget, men disse resultater blev bestridt på grund af eksperimentets utilstrækkelige nøjagtighed.

Projekthistorie

Forudsigelse og påvisning af CMB

Hypotesen  om eksistensen af ​​kosmisk mikrobølgebaggrundsstråling ( CMB ), som opstod i æraen med primær rekombination af brint og ensartet fylder universet, blev udtrykt i 1946 af Georgy Gamow som en del af Big Bang- teorien , der beskriver begyndelsen af ​​udviklingen. af universet . I den russisksprogede litteratur bruges udtrykket relikviestråling , introduceret af den sovjetiske astrofysiker I. S. Shklovsky [1] , til at beskrive dette fænomen . I 1955 opdagede en ansat ved Pulkovo-observatoriet , T. A. Shmaonov, mens han målte kosmisk radioemission med en bølgelængde på 32 cm, baggrundsstråling, der ikke afhænger af tidspunktet på dagen og retningen, hvis temperatur blev anslået til 4 ± 3 K , som korrelerede med Gamows forudsigelser. I 1964 opdagede A. Penzias og R. Wilson , ansatte ved Bell Laboratory , at støjtemperaturen på den antenne, de indstillede, oversteg den forventede værdi, og den observerede "baggrundsstøj" var konstant, ikke afhængig af retningen af antenne, og kom jævnt fra hele himmelsfæren. Således blev reliktstrålingen forudsagt af Gamow opdaget, som jævnt fylder hele verdensrummet. Efterfølgende observationer bekræftede, at CMB-spektret svarer til spektret af et sort legeme med en temperatur på 2,725 K [2] [3] . Overfladen, hvorfra den kosmiske mikrobølgestråling kommer til observatøren, danner en kugle kaldet "overfladen af ​​den sidste spredning" eller "kosmologisk fotosfære", som svarer til "partikelhorisonten", det vil sige grænsen for den del af universet hvorfra det lykkedes den kosmiske mikrobølgestråling, der bevægede sig med lysets hastighed, at nå med dannelsesøjeblikket til iagttageren [4] .

CMB anisotropi

Relikviestrålingen er homogen og isotropisk med en nøjagtighed på , teorien forudsiger dens svage anisotropi (forskellen i strålingstemperatur på forskellige punkter af den kosmologiske horisont). Bidraget til anisotropien af ​​relikviestrålingen er lavet af [2] :

Kosmologiske teorier forudsiger tilstedeværelsen af ​​inhomogeniteter i det primære univers fra de første øjeblikke af dets liv, hvilket også skulle bidrage til anisotropien af ​​den observerede kosmiske mikrobølgebaggrund [5] .

CMB-studier

For første gang blev målinger af baggrundsstrålingen startet fra Jorden af ​​D. T. Ulkinson og grupper af amerikanske og italienske videnskabsmænd umiddelbart efter dens opdagelse. Men jordbaserede observationer af CMB er hæmmet af interferens fra atmosfæren, som absorberer og genudsender radiobølger, der kommer fra rummet. Virkningen af ​​vanddamp, der er til stede i atmosfæren, er særlig stærk, hvilket forværrer driftsforholdene for det modtagende system og er altid ujævnt fordelt i rummet, hvilket fører til en stor spredning af målte temperaturer. Højdemålinger udført på balloner og højhøjdefly forbedrer situationen noget. I 1977, i målinger udført på et højhøjde-rekognosceringsfly Lockheed U-2 , blev dipolkomponenten af ​​anisotropien af ​​den kosmiske mikrobølgebaggrund på grund af Doppler-effekten estimeret. Men den samlede tid for målinger i høj højde, under hensyntagen til behovet for at akkumulere store mængder information for at kompensere for fejl, viser sig at være lille, og deres nøjagtighed er utilstrækkelig til at bestemme højere harmoniske anisotropi, som er vigtige for at bekræfte og udvikle fundamentale kosmologiske teorier. Højhøjdeundersøgelser af kosmisk baggrundsstråling blev udført af grupper af forskere fra Berkeley og Princeton i 15 år, den samlede "rene" måletid for denne periode oversteg ikke 200 timer. Samtidig kan et rumfartøj, der opererer med lignende udstyr i et år, give næsten fuldstændig udnyttelse af måletiden og vil ligne et jordbaseret eksperiment udført kontinuerligt i 50 år [6] [7] . For første gang blev ideen om et satelliteksperiment til at måle baggrundsstrålingen foreslået af N. S. Kardashev i 1970'erne. Det tog lang tid at udvikle et apparat med en tilstrækkelig høj følsomhed, som skulle detektere reliktstrålingens anisotropi, som er hundrede- og tusindedele af en procent [8] .

Projekt "Relic-1"

Det første eksperiment til at studere relikviestråling fra et rumfartøj var det sovjetiske projekt "Relikt-1", udført i 1983-1984 på initiativ af N. S. Kardashev , som blev den videnskabelige leder af projektet. Lederen af ​​eksperimentet var I. A. Strukov, han stod også i spidsen for en gruppe russiske videnskabsmænd, der behandlede de opnåede radiokort over himlen. Gruppen omfattede A. A. Bryukhanov, M. V. Sazhin, D. P. Skulachev [7] [9] .

Rumfartøj

Apparatet i Prognoz -serien blev valgt til gennemførelsen af ​​projektet . Forskningssatellitter af denne type blev opsendt i stærkt elliptiske baner og blev designet til at studere solaktivitet , dens indflydelse på Jordens magnetosfære og ionosfære og udføre astrofysisk forskning [10] . Prognoz-9- satellitten , som Relikt-1-eksperimentet blev udført på, blev, ligesom de tidligere enheder i serien, bygget i henhold til dokumentationen og under opsyn af NPO. Lavochkin på maskinbygningsanlægget " Vympel " i Moskva [11] .

For pålidelig modtagelse af svag relikviestråling skal modtageanordningen placeres så langt som muligt fra den termiske interferens skabt af Jorden og Månen, i en afstand af omkring en million kilometer fra Jorden [6] . Opsendelsen af ​​en satellit ind i den kredsløb, der kræves til gennemførelsen af ​​Relict-1-eksperimentet, er forbundet med betydelige vanskeligheder, da den i en sådan afstand fra Jorden oplever tilsvarende virkninger fra tiltrækningen af ​​Jorden, Månen og Solen og, for at forhindre det i at blive "fanget" af disse himmellegemer, blev der for Prognoz -9" beregnet en unik bane med et perigeum på 361 km, apogeum på 727.620 km, en hældning på 65,3° og en omløbsperiode på 25,5 dage, hvorpå en satellit uden korrigerende motor kunne eksistere i mindst et år [12] [13] . Prognoz-9 blev opsendt den 1. juli 1983 fra Baikonur - kosmodromen af ​​Molniya-M- fartøjet med 4. trin ( øverste trin ) SO/L [14 ] . Ud over udstyret til Relikt-1-projektet blev der installeret instrumenter til undersøgelse af solstråling, interplanetarisk rum og dybt rum på Prognoz-9-satellitten [8] .

Radiometer "Relikt"

For at måle den kosmiske baggrundsradioemission blev R-08 Relikt radiometer , som kan kaldes det mindste af de radioteleskoper, der blev sendt ud i rummet , installeret om bord på Prognoz-9 . Dens vægt var 30 kg, og strømforbruget - 50 watt. Enheden inkluderede to hornantenner , en højfrekvent parametrisk forstærker, der giver enhedens høj følsomhed, en signaldetektor og en antennekontakt [8] . Radiometeret fungerede ved en enkelt frekvens på 37 GHz ( bølgelængde 8 mm) og havde en båndbredde på 400 MHz. Grundværdien af ​​den indre støj under akkumulering i 1 sekund var 31 mK. Målingerne af variationer i den kosmiske baggrundsstråling blev udført ved differentialmetoden - radiometeret havde to hornantenner , som igen var forbundet til enhedens indgang med en frekvens på 1 kHz, forskellen i temperaturer på den modtagne stråling ved at "reference"-antennen konstant er rettet mod et punkt, og at "måle"-antennen scanner et bestemt område af den synlige himmelkugle [15] [6] . Radiometeret "Relikt" var installeret ombord på satellitten, som havde en konstant solorientering og stabiliseret ved rotation omkring solaksen, således at "reference"-antennen med en strålebredde på 10° hele tiden blev rettet væk fra Solen. "Måle"-antennen, med en strålebredde på 5,8 °, rettet vinkelret på "referencen", foretog en fuldstændig omdrejning i himmelsfæren i løbet af satellittens rotation omkring sin solakse, hvilket var cirka 2 minutter. På grund af Jordens kredsløbsbevægelse skiftede satellittens længdeakse med omkring 1° om dagen i forhold til Solen, så en gang om ugen blev satellitten omorienteret med en rotation af sin akse med 7°, hvorefter scanningen blev genoptaget. Således blev hele himmelsfæren scannet på et halvt år, nogle af dens sektioner to gange [6] [16] .

Eksperimentelle resultater

Analysen af ​​de data, der blev opnået under Relikt-1-eksperimentet, varede flere år med offentliggørelse af mellemresultater. I løbet af arbejdet blev et kort over fordelingen af ​​CMB over himmelsfæren konstrueret, dipolanisotropien af ​​CMB på grund af Doppler-forskydningen blev målt, og hastigheden af ​​vores galakse i forhold til CMB blev beregnet. Anisotropien af ​​højere ordener viste sig at være lavere end forventet, hvilket såede tvivl om nogle kosmologiske teorier og tillod ikke et entydigt svar på spørgsmålet om tilstedeværelsen af ​​uregelmæssigheder i den kosmiske baggrundsstråling [8] . Kun den øvre grænse for mulig anisotropi blev bestemt. En artikel med disse resultater blev publiceret i 1987. Efterfølgende blev radiostimodellen, der blev brugt til at behandle resultaterne, korrigeret, og efter genbehandling af resultaterne blev den forventede anisotropi af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling fundet på de opnåede kort over himmelsfæren. I løbet af året er nye resultater blevet kontrolleret og forfinet. Fortolkningen af ​​de eksperimentelle resultater blev kompliceret af, at målingerne kun blev udført ved én frekvens, og forskellige forklaringer på den opnåede anisotropi var mulige, mens et multi-frekvens eksperiment straks ville afsløre dens karakter. Tvivl om pålideligheden af ​​anisotropi-detektion var også forårsaget af enhedens lave følsomhed, selvom den for sin tid var uovertruffen [9] . I januar 1992 blev en rapport om opdagelsen af ​​relikviestrålingens anisotropi præsenteret på et seminar på SAI MGU , i maj samme år blev en artikel publiceret i et sovjetisk videnskabeligt tidsskrift [17] og dens engelske version [18] , og i september i et engelsk videnskabeligt tidsskrift [15] . I 2020 blev I. A. Strukov, D. P. Skulachev og M. V. Sazhin tildelt I. S. Shklovsky-prisen for en række værker dedikeret til påvisning af CMB-anisotropi på Relikt-satellitten [19] .

Urealiseret projekt "Relic-2"

Efter den første analyse af resultaterne af Relict-1-projektet blev der skabt udstyr til det andet rumeksperiment om undersøgelse af relikviestråling, kaldet Relict-2. Det var planlagt til at blive afholdt i midten af ​​1990'erne. I dette projekt skulle der anvendes en flerfrekvensmålemetode, hvor der blev anvendt tre radiometre, der opererede ved frekvenserne 22, 34,5 og 60 GHz med en følsomhed på henholdsvis 7, 1,5 og 4 mK [a] . Båndbredden af ​​hvert radiometer i hvert af områderne skulle være dobbelt så høj som i Relikt-1-projektet. Da der på kortet over fordelingen af ​​mikrobølgestråling opnået i Relict-1-eksperimentet var "hvide pletter", der opstod på grund af fald i synsfeltet til Jorden og Månen, skulle Relict-2 udstyrskomplekset bringes til Lagrange-punktet L2 i Jordsystemet -Sol", i en afstand af omkring 1,5 millioner km fra Jorden. I dette tilfælde ville Jorden, Månen og Solen altid være på samme side af rumfartøjet og ville ikke forstyrre observationer [6] . I 1997 blev arbejdet med Relict-2-projektet afsluttet [7] .

"Relikt-1" og andre rumeksperimenter om studiet af relikviestråling

COBE

NASA COBE (Cosmic Background Explorer) rumfartøjet blev opsendt i 1989 i en solsynkron bane med en højde på omkring 900 km. COBEs videnskabelige udstyr omfattede et DIRBE multikanal infrarødt fotometer (supervisor — M. Hauser), et FIRAS mikrobølge- og fjerninfrarødt spektrofotometer til måling af det absolutte spektrum af den kosmiske mikrobølgebaggrund (supervisor — J. Mather ) og differentielle mikrobølgeradiometre DMR til at søge for anisotropien af ​​den kosmiske mikrobølgebaggrund stråling (supervisor - J. Smoot ). DMR-radiometre, i modsætning til Relikt-1, fungerede i tre bånd - 31, 53 og 90 GHz med en RMS-støjværdi på henholdsvis 30, 11 og 16 mK. I 31 GHz-båndet blev to signalpolariseringer modtaget , og i de andre bånd kun én. Bedre følsomhed end for Relikt-1 og samtidige målinger ved flere frekvenser gjorde det muligt mere sikkert at fortolke resultaterne af COBE-målinger, men den lave bane gjorde det nødvendigt at tage højde for indflydelsen fra Jordens magnetfelt, hvilket introducerer yderligere fejl [16] [20] . I april 1992 blev resultaterne af COBE-projektet præsenteret, hvilket indikerer opdagelsen af ​​anisotropien af ​​CMB [21] .

Sammenlignende analyse af dataene fra "Relikt-1" og COBE-eksperimentet viste, at selvom der i begge tilfælde "på grænsen af ​​følsomhed" blev detekteret en storstilet anisotropi af reliktstrålingen, modsiger de opnåede data om fordelingen af ​​inhomogeniteter hver Andet. Pålideligheden af ​​resultaterne af "Relikt-1", som havende en lavere opløsning og følsomhed, blev sat i tvivl [20] [22] . I 2006 blev J. Mather og J. Smoot tildelt Nobelprisen i fysik "for opdagelsen af ​​overensstemmelsen mellem den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling og spektret af sortlegemestråling og denne baggrundsstrålings anisotropi" [23] .

WMAP

NASAs rumobservatorium kaldet WMAP blev opsendt til L2-punktet i Jord-Sol-systemet i 2001 og fungerede indtil 2009. Som et resultat af målingerne udført af WMAP blev der bygget et detaljeret kort over fordelingen af ​​temperaturinhomogeniteter af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling over himmelsfæren, hvis opløsning var mere end 30 gange højere end kortet bygget baseret på resultaterne af COBE-projektet. Ikke kun storskala anisotropi af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling blev detekteret, men også temperaturudsving af baggrundsstrålingen på medium vinkelskalaer [24] . Sammenligningen af ​​resultaterne af WMAP og "Relikt-1" viste en høj grad af korrelation mellem dem og bekræftede, at dataene fra "Relikt-1" med høj sandsynlighed indikerer påvisningen af ​​reel anisotropi af reliktstrålingen og ikke er på grund af tilfældige effekter og støj [25] .

Noter

Kommentarer

  1. ↑ Ifølge en anden kilde var målinger i Relikt-2-eksperimentet planlagt til at blive udført ved fem frekvenser: 21,7, 34,5, 59,0, 83,0 og 193,0 GHz [15]

Kilder

  1. ↑ I. S. Shklovsky . Univers, liv, sind. — M .: Nauka , 1973.
  2. ↑ 1 2 O. S. Sazhina. Kosmologiens observationsgrundlag . Mikrobølgebaggrundsrelikviestråling og dens anisotropi . GAISH . Hentet 7. november 2021. Arkiveret fra originalen 21. oktober 2021.
  3. ↑ M. V. Sazhin. Anisotropi af CMB . Russisk binding . Hentet 7. november 2021. Arkiveret fra originalen 24. oktober 2021.
  4. ↑ M. V. Sazhin, O. S. Sazhina. Moderne kosmologi  // Jorden og universet  : tidsskrift. - 2007. - Nr. 3 .
  5. ↑ C. Powell. Kosmologiens gyldne tidsalder  // Earth and the Universe: Journal. - 1993. - Nr. 2 .
  6. ↑ 1 2 3 4 5 Videnskab i USSR, 1992 .
  7. ↑ 1 2 3 Skulachev, 2009 .
  8. ↑ 1 2 3 4 Brian Harvey med Olga Zakutnyaya. RELIKT OG INTERSHOCK // Russiske rumsonder. Videnskabelige opdagelser og fremtidige  missioner . — Springer i assoc. med Praxis Publishing, 2011. - S. 135-139. — ( Springer Praxis Books ). — ISBN 978-1-4419-8149-3 .
  9. ↑ 1 2 M. V. Sazhin. Anisotropi af reliktstrålingen og "Relikt"-eksperimentet . Scientific.ru . Hentet 4. april 2022. Arkiveret fra originalen 25. november 2020.
  10. ↑ Rumfartøj til undersøgelse af sol-jordiske forhold i Prognoz-serien . NPO dem. Lavochkin . Hentet 25. januar 2021. Arkiveret fra originalen 3. februar 2021.
  11. ↑ A. M. Pevzner. Højhøjtidelige kunstige jordens satellitter "Forecast" // Nedtælling ... 2 (45 år med IKI RAS): samling. - Moskva: IKI RAN , 2010.
  12. ↑ Yu. I. Zaitsev. Center for russisk rumvidenskab. Til 40-års jubilæet for Rumforskningsinstituttet ved Det Russiske Videnskabsakademi // Earth and the Universe  : journal. - 2005. - Nr. 4 . - S. 3-16 .
  13. ↑ A. Transportører. Radiobillede af det unge univers  // Teknik for ungdom  : tidsskrift. - 1985. - Nr. 9 . - S. 8-12 .
  14. ↑ A. Zheleznyakov. Encyklopædi "Kosmonautik" . KRONIK OM RUMUDDAGNING. 1983 .  - Online encyklopædi. Hentet 3. april 2022. Arkiveret fra originalen 19. oktober 2021.
  15. ↑ 1 2 3 A. A. Klypin, I. A. Strukov, D. P. Skulachev. Relikt-missionerne: resultater og udsigter til påvisning af mikrobølgebaggrundsanisotropien  //  Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. - 1992. - September ( vol. 258 , udg. 1 ). - S. 71-81. - doi : 10.1093/mnras/258.1.71 .
  16. ↑ 1 2 S. Hanany, L. Page, M. Niemack. CMB-teleskoper og optiske systemer  (engelsk)  // Planeter, stjerner og stjernesystemer. Bind 1: Teleskoper og instrumentering. - 2012. - S. 38-39. - doi : 10.1007/978-94-007-5621-2_10 .
  17. ↑ Strukov I.A., Bryukhanov A.A., Skulachev D.P., Sazhin M.V. Anisotropi af baggrundsradioemission  (engelsk)  // Letters to the Astronomical Journal. - 1992. - Bd. 18 , nr. 5 . - S. 387-395 .
  18. ↑ Strukov, IA, Brukhanov, AA, Skulachev, DP, & Sazhin, MV Anisotropi af mikrobølgebaggrundsstrålingen // Soviet Astronomy Letters. - 1992. - Bd. 18. - S. 153-156. - .
  19. ↑ I. S. Shklovsky-prisen fra Det Russiske Videnskabsakademi blev tildelt ansatte i IKI RAS . Pressecenter på IKI RAS . Hentet 8. april 2022. Arkiveret fra originalen 21. oktober 2021.
  20. ↑ 12 A.J. _ Banday. RELIKT1 og COBS-DMR resultater: En sammenligning  //  Present and Future of the Cosmic Microwave Background, Proceedings of the Workshop Holdt i Santander, Spanien, 28. juni - 1. juli 1993. - 1994-01. — ISBN 978-3-540-57755-3 . - doi : 10.1007/3-540-57755-6_36 . - .
  21. ↑ GF Glat. Resultater fra Cosmic Background Explorer  //  The Astrophysical Journal . - IOP Publishing , 1993-04. — ISBN 978-3-540-57755-3 . - doi : 10.1007/3-540-57755-6_31 . - .
  22. ↑ C.L. Bennett et al. Ikke-kosmologiske signalbidrag til COBE DMR-anisotropikortene  //  The Astrophysical Journal . - IOP Publishing , 1993-04. — Bd. 77 . - doi : 10.1086/187000 . - .
  23. ↑ M. V. Sazhin, O. S. Khovanskaya. 2006 NOBELPRISINDTAGERE  // Priroda  : tidsskrift. - 2007. - Nr. 1 .
  24. ↑ WMAP PRODUCERER NYE  RESULTATER . NASA . Hentet 8. april 2022. Arkiveret fra originalen 1. april 2022.
  25. ↑ UFN, 2010 .

Litteratur

Links