Relikvie-1

Relic-1 je vůbec první experiment o studiu reliktního záření z kosmické lodi, který byl proveden na sovětském satelitu Prognoz-9 v letech 1983-1984. Výsledkem experimentu byla sestrojení mapy rozložení reliktního záření nad nebeskou sférou. Jedním z hlavních úkolů experimentu „Relikt-1“ bylo detekovat anizotropii reliktního záření. Po zpracování dat "Relikt-1" v roce 1992 byla objevena anizotropie reliktního záření, ale tyto výsledky byly zpochybněny kvůli nedostatečné přesnosti experimentu.

Historie projektu

Predikce a detekce CMB

Hypotézu  o existenci kosmického mikrovlnného záření na pozadí ( CMB ), které vzniklo v éře primární rekombinace vodíku a rovnoměrně vyplňuje vesmír, vyslovil v roce 1946 Georgy Gamow jako součást teorie velkého třesku popisující počátek vývoje vesmíru . _ V ruskojazyčné literatuře se pro tento jev používá termín reliktní záření , který zavedl sovětský astrofyzik I. S. Shklovsky [1] . V roce 1955 objevil zaměstnanec Pulkovské observatoře T. A. Shmaonov při měření kosmické radiové emise o vlnové délce 32 cm záření na pozadí nezávislé na denní době a směru, jehož teplota byla odhadnuta na 4 ± 3. K , což korelovalo s Gamowovými předpověďmi. V roce 1964 A. Penzias a R. Wilson , zaměstnanci Bell Laboratory , zjistili, že teplota šumu jimi naladěné antény překračuje očekávanou hodnotu a pozorovaný „šum na pozadí“ je konstantní, nezávisí na směru antény a přicházely rovnoměrně z celé nebeské sféry. Tak bylo objeveno Gamowem předpovězené reliktní záření, které rovnoměrně vyplňuje celý světový prostor. Následná pozorování potvrdila, že spektrum CMB odpovídá spektru černého tělesa o teplotě 2,725 K [2] [3] . Povrch, ze kterého přichází kosmické mikrovlnné záření k pozorovateli, tvoří kouli zvanou „povrch posledního rozptylu“ nebo „kosmologická fotosféra“, která odpovídá „částicovému horizontu“, tedy hranici té části Vesmíru. ze kterého se kosmické mikrovlnné záření pohybující se rychlostí světla dokázalo dostat okamžikem svého vzniku k pozorovateli [4] .

Anizotropie CMB

Reliktní záření je homogenní a izotropní s přesností , teorie předpovídá jeho mírnou anizotropii (rozdíl teplot záření v různých bodech kosmologického horizontu). K anizotropii reliktního záření přispívá [2] :

Kosmologické teorie předpovídají přítomnost nehomogenit v hmotě primárního Vesmíru od prvních okamžiků jeho života, což by mělo rovněž přispívat k anizotropii pozorovaného kosmického mikrovlnného pozadí [5] .

Studie CMB

Poprvé byla měření radiace pozadí ze Země zahájena D. T. Ulkinsonem a skupinami amerických a italských vědců bezprostředně po jejím objevení. Pozemní pozorování CMB však brzdí interference z atmosféry, která absorbuje a znovu vyzařuje rádiové vlny přicházející z vesmíru. Zvláště silný je vliv vodní páry přítomné v atmosféře, která zhoršuje provozní podmínky přijímacího systému a je vždy nerovnoměrně rozložena v prostoru, což vede k velkému rozptylu naměřených teplot. Situaci poněkud zlepšují měření výšky prováděná na balonech a výškových letounech. V roce 1977 byla při měřeních na výškovém průzkumném letounu Lockheed U-2 odhadnuta dipólová složka anizotropie kosmického mikrovlnného pozadí v důsledku Dopplerova jevu. Celková doba měření ve velkých nadmořských výškách se však s přihlédnutím k nutnosti akumulovat velké množství informací pro kompenzaci chyb ukazuje jako malá a jejich přesnost je nedostatečná pro určení vyšších harmonických anizotropie, které jsou důležité pro potvrzení a rozvíjení základních kosmologických teorií. Výškové studie pozadí kosmického záření prováděly skupiny vědců z Berkeley a Princetonu 15 let, celková doba „čistého“ měření za toto období nepřesáhla 200 hodin. Vesmírná loď operující s podobným vybavením po dobu jednoho roku přitom může poskytnout téměř úplné využití doby měření a bude podobná pozemskému experimentu prováděnému nepřetržitě po dobu 50 let [6] [7] . Poprvé myšlenku satelitního experimentu pro měření radiace na pozadí navrhl N. S. Kardashev v 70. letech 20. století. Dlouhou dobu trvalo vyvinout přístroj s dostatečně vysokou citlivostí, který měl detekovat anizotropii reliktního záření, která se pohybuje v setinách a tisícinách procenta [8] .

Projekt "Relic-1"

Prvním experimentem ke studiu reliktního záření z kosmické lodi byl sovětský projekt „Relikt-1“, provedený v letech 1983-1984 z iniciativy N. S. Kardasheva , který se stal vědeckým ředitelem projektu. Vedoucím experimentu byl I. A. Strukov, vedl i skupinu ruských vědců zpracovávajících získané rádiové mapy oblohy. Ve skupině byli A. A. Brjuchanov, M. V. Sazhin, D. P. Skulačov [7] [9] .

Kosmická loď

Pro realizaci projektu byla zvolena aparatura řady Prognoz . Výzkumné satelity tohoto typu byly vypuštěny na vysoce eliptické dráhy a byly navrženy ke studiu sluneční aktivity , jejího vlivu na zemskou magnetosféru a ionosféru a provádění astrofyzikálního výzkumu [10] . Družice Prognoz-9 , na které byl proveden experiment Relikt-1, byla stejně jako předchozí zařízení série postavena podle dokumentace a pod dohledem NPO. Lavočkina v moskevském strojírenském závodě " Vympel " [11] .

Pro spolehlivý příjem slabého reliktního záření musí být přijímací zařízení umístěno co nejdále od tepelné interference vytvářené Zemí a Měsícem, ve vzdálenosti asi milionu kilometrů od Země [6] . Vypuštění družice na oběžnou dráhu potřebné pro realizaci experimentu Relict-1 je spojeno se značnými obtížemi, protože v takové vzdálenosti od Země zažívá úměrné účinky přitažlivosti Země, Měsíce a Slunce a, aby se zabránilo jeho „zachycení“ těmito nebeskými tělesy, byla pro Prognoz -9" vypočtena jedinečná dráha s perigeem 361 km, apogeem 727 620 km, sklonem 65,3° a dobou oběhu 25,5 dne, na kterém by satelit bez korekčního motoru mohl existovat minimálně rok [12] [13] . Prognoz-9 odstartoval 1. července 1983 z kosmodromu Bajkonur nosič Molnija -M se 4. stupněm ( horním stupněm ) SO/L [14 ] . Kromě vybavení projektu Relikt-1 byly na družici Prognoz-9 instalovány přístroje pro studium slunečního záření, meziplanetárního prostoru a hlubokého vesmíru [8] .

Radiometr "Relikt"

Pro měření pozadí kosmického rádiového záření byl na palubě Prognoz-9 instalován radiometr R-08 Relikt , který lze nazvat nejmenším z radioteleskopů vypuštěných do vesmíru . Jeho hmotnost byla 30 kg a spotřeba energie - 50 wattů. Zařízení obsahovalo dvě horn antény , vysokofrekvenční parametrický zesilovač zajišťující vysokou citlivost zařízení, detektor signálu a anténní spínač [8] . Radiometr pracoval na jediné frekvenci 37 GHz ( vlnová délka 8 mm) a měl šířku pásma 400 MHz. Střední kvadratická hodnota vlastního šumu během akumulace po dobu 1 sekundy byla 31 mK. Měření změn v pozadí kosmického záření bylo prováděno diferenciální metodou - radiometr měl dvě rohové antény , které byly postupně připojeny na vstup zařízení s frekvencí 1 kHz, rozdíl teplot přijímaného záření „referenční“ anténou neustále nasměrovanou na jeden bod a „měřicí“ anténou skenující určitou oblast viditelné nebeské sféry [15] [6] . Na palubě družice byl instalován radiometr „Relikt“, který měl konstantní sluneční orientaci a stabilizoval se rotací kolem sluneční osy, takže „referenční“ anténa o šířce paprsku 10 ° byla neustále směřována od Slunce. „Měřicí“ anténa o šířce paprsku 5,8°, nasměrovaná kolmo na „referenční“, provedla úplnou revoluci v nebeské sféře během doby rotace družice kolem její sluneční osy, což bylo přibližně 2 minuty. Vlivem orbitálního pohybu Země se podélná osa družice posunula o cca 1° za den vůči Slunci, takže jednou týdně byla družice přeorientována s otočením své osy o 7°, poté bylo skenování obnoveno. Celá nebeská sféra tak byla naskenována za půl roku, některé její úseky dvakrát [6] [16] .

Experimentální výsledky

Analýza dat získaných během experimentu Relikt-1 trvala několik let s publikováním mezivýsledků. V průběhu práce byla sestrojena mapa rozložení CMB na nebeské sféře, byla změřena dipólová anizotropie CMB v důsledku Dopplerova posunu a byla vypočtena rychlost naší Galaxie vůči CMB. Anizotropie vyšších řádů se ukázala být nižší, než se očekávalo, což zpochybňovalo některé kosmologické teorie a neumožňovalo jednoznačnou odpověď na otázku přítomnosti nepravidelností v pozadí kosmického záření [8] . Byla stanovena pouze horní hranice možné anizotropie. Článek s těmito výsledky byl publikován v roce 1987. Následně byl opraven model rádiové dráhy použitý při zpracování výsledků a po přepracování výsledků byla na získaných mapách nebeské sféry nalezena očekávaná anizotropie záření kosmického mikrovlnného pozadí. V průběhu roku byly nové výsledky kontrolovány a zpřesňovány. Interpretaci experimentálních výsledků komplikoval fakt, že měření byla prováděna pouze na jedné frekvenci a byla možná různá vysvětlení získané anizotropie, přičemž multifrekvenční experiment by okamžitě odhalil její podstatu. Pochybnosti o spolehlivosti detekce anizotropie byly způsobeny i nízkou citlivostí přístroje, byť na svou dobu nepřekonaným [9] . V lednu 1992 byla na semináři v SAI MGU prezentována zpráva o objevu anizotropie reliktního záření , v květnu téhož roku vyšel článek v sovětském vědeckém časopise [17] a jeho anglická verze [18] , a v září v anglickém vědeckém časopise [15] . V roce 2020 byli I. A. Strukov, D. P. Skulachev a M. V. Sazhin oceněni cenou I. S. Shklovského za sérii prací věnovaných detekci anizotropie CMB na družici Relikt [19] .

Nerealizovaný projekt "Relic-2"

Po první analýze výsledků projektu Relict-1 bylo vytvořeno zařízení pro druhý vesmírný experiment na studium reliktního záření, nazvaný Relict-2. Plánovalo se, že se bude konat v polovině 90. let. V tomto projektu měla být použita vícefrekvenční metoda měření pomocí tří radiometrů pracujících na frekvencích 22, 34,5 a 60 GHz s citlivostí 7, 1,5 a 4 mK [a] . Šířka pásma každého radiometru v každém z rozsahů měla být dvakrát větší než v projektu Relikt-1. Protože na mapě rozložení mikrovlnného záření získané v experimentu Relict-1 byly „bílé skvrny“, které vznikly v důsledku pádu do zorného pole Země a Měsíce, měl komplex zařízení Relict-2 být přiveden do Lagrangeova bodu L2 zemského systému -Slunce", ve vzdálenosti asi 1,5 milionu km od Země. V tomto případě by Země, Měsíc a Slunce byly vždy na stejné straně kosmické lodi a nerušily by pozorování [6] . V roce 1997 byly práce na projektu Relict-2 ukončeny [7] .

"Relikt-1" a další vesmírné experimenty o studiu reliktního záření

COBE

Kosmická loď NASA COBE (Cosmic Background Explorer) byla vypuštěna v roce 1989 na sluneční synchronní dráhu s výškou asi 900 km. Vědecké vybavení COBE zahrnovalo vícekanálový infračervený fotometr DIRBE (vedoucí — M. Hauser), mikrovlnný a daleký infračervený spektrofotometr FIRAS pro měření absolutního spektra kosmického mikrovlnného pozadí (vedoucí — J. Mather ) a diferenciální mikrovlnné radiometry DMR pro vyhledávání pro anizotropii kosmického mikrovlnného pozadí záření (vedoucí - J. Smoot ). Radiometry DMR na rozdíl od Reliktu-1 pracovaly ve třech pásmech - 31, 53 a 90 GHz s efektivní hodnotou šumu 30, 11 a 16 mK. V pásmu 31 GHz byly přijímány dvě polarizace signálu a v ostatních pásmech pouze jedna. Lepší citlivost než u Relikt-1 a současná měření na několika frekvencích umožnila spolehlivější interpretaci výsledků měření COBE, ale nízká oběžná dráha vyžadovala vzít v úvahu vliv magnetického pole Země, které přináší další chyby. [16] [20] . V dubnu 1992 byly prezentovány výsledky projektu COBE naznačující objev anizotropie CMB [21] .

Srovnávací analýza dat „Relikt-1“ a experimentu COBE ukázala, že ačkoliv v obou případech „na hranici citlivosti“ byla detekována rozsáhlá anizotropie reliktního záření, získaná data o rozložení nehomogenit si odporují. jiný. Spolehlivost výsledků "Relikt-1", protože má nižší rozlišení a citlivost, byla zpochybněna [20] [22] . V roce 2006 byli J. Mather a J. Smoot oceněni Nobelovou cenou za fyziku „za objev korespondence mezi kosmickým mikrovlnným zářením pozadí a spektrem záření černého tělesa a anizotropií tohoto záření pozadí“ [23] .

WMAP

Vesmírná observatoř NASA s názvem WMAP byla vypuštěna do bodu L2 systému Země-Slunce v roce 2001 a fungovala do roku 2009. Na základě měření provedených WMAP byla sestavena podrobná mapa rozložení teplotních nehomogenit záření kosmického mikrovlnného pozadí nad nebeskou sférou, jejíž rozlišení bylo více než 30krát vyšší než u mapy sestavené na základě výsledky projektu COBE. Byla detekována nejen velkorozměrová anizotropie záření kosmického mikrovlnného pozadí, ale i teplotní výkyvy záření pozadí na středních úhlových měřítcích [24] . Srovnání výsledků WMAP a „Relikt-1“ ukázalo vysokou míru korelace mezi nimi a potvrdilo, že data „Relikt-1“ s vysokou pravděpodobností naznačují detekci skutečné anizotropie reliktního záření a nejsou kvůli náhodným efektům a šumu [25] .

Poznámky

Komentáře

  1. ↑ Podle jiného zdroje bylo plánováno provedení měření v experimentu Relikt-2 na pěti frekvencích: 21,7, 34,5, 59,0, 83,0 a 193,0 GHz [15]

Zdroje

  1. ↑ I. S. Shklovsky . Vesmír, život, mysl. — M .: Nauka , 1973.
  2. ↑ 1 2 O. S. Sazhina. Pozorovací základy kosmologie . Mikrovlnné pozadí Reliktní záření a jeho anizotropie . GAISH . Získáno 7. listopadu 2021. Archivováno z originálu dne 21. října 2021.
  3. ↑ M. V. Sazhin. Anizotropie CMB . Ruská vazba . Získáno 7. listopadu 2021. Archivováno z originálu dne 24. října 2021.
  4. ↑ M. V. Sazhin, O. S. Sazhina. Moderní kosmologie  // Země a vesmír  : časopis. - 2007. - č. 3 .
  5. ↑ C. Powell. Zlatý věk kosmologie  // Země a vesmír: časopis. - 1993. - č. 2 .
  6. ↑ 1 2 3 4 5 Věda v SSSR, 1992 .
  7. ↑ 1 2 3 Skulachev, 2009 .
  8. ↑ 1 2 3 4 Brian Harvey s Olgou Zakutnyaya. RELIKT A INTERSHOCK // Ruské vesmírné sondy. Vědecké objevy a budoucí  mise . — Springer v doc. s nakladatelstvím Praxis, 2011. - S. 135-139. — ( Springer Praxis Books ). — ISBN 978-1-4419-8149-3 .
  9. ↑ 1 2 M. V. Sazhin. Anizotropie reliktního záření a experiment "Relikt" . Scientific.ru _ Získáno 4. dubna 2022. Archivováno z originálu dne 25. listopadu 2020.
  10. ↑ Kosmická loď pro studium vztahů mezi Sluncem a Zemí řady Prognoz . NPO je. Lavočkin . Získáno 25. ledna 2021. Archivováno z originálu dne 3. února 2021.
  11. ↑ A. M. Pevzner. Umělé družice Země ve vysokém apogeu "Předpověď" // Odpočítávání ... 2 (45 let IKI RAS): sbírka. - Moskva: IKI RAN , 2010.
  12. ↑ Yu. I. Zajcev. Centrum ruské vesmírné vědy. Ke 40. výročí Ústavu pro výzkum vesmíru Ruské akademie věd // Země a vesmír  : časopis. - 2005. - č. 4 . - str. 3-16 .
  13. ↑ A. Přepravci. Rozhlasový obraz mladého vesmíru  // Technika pro mládež  : časopis. - 1985. - č. 9 . - S. 8-12 .
  14. ↑ A. Železnjakov. Encyklopedie "Kosmonautika" . KRONIKA PRŮZKUMU VESMÍRU. 1983 .  — Online encyklopedie. Získáno 3. dubna 2022. Archivováno z originálu dne 19. října 2021.
  15. ↑ 1 2 3 A. A. Klypin, I. A. Strukov, D. P. Skulačov. Mise Relikt: výsledky a vyhlídky pro detekci anizotropie mikrovlnného pozadí  //  Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. - 1992. - Září ( roč. 258 , ses. 1 ). - S. 71-81. - doi : 10.1093/mnras/258.1.71 .
  16. ↑ 1 2 S. Hanany, L. Page, M. Niemack. CMB Telescopes and Optical Systems  (anglicky)  // Planets, Stars and Stellar Systems. Svazek 1: Teleskopy a přístrojové vybavení. - 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. Anizotropie radiové emise na pozadí  (anglicky)  // Letters to the Astronomical Journal. - 1992. - Sv. 18 , č. 5 . - str. 387-395 .
  18. ↑ Strukov, IA, Brukhanov, AA, Skulachev, DP, & Sazhin, MV Anizotropie záření mikrovlnného pozadí // Soviet Astronomy Letters. - 1992. - Sv. 18. - S. 153-156. - .
  19. ↑ Cena I. S. Shklovského Ruské akademie věd byla udělena zaměstnancům IKI RAS . Tiskové středisko IKI RAS . Získáno 8. dubna 2022. Archivováno z originálu dne 21. října 2021.
  20. ↑ 12 A.J. _ Banday. Výsledky RELIKT1 a COBS-DMR: Srovnání  //  Současnost a budoucnost kosmického mikrovlnného pozadí, Sborník z workshopu konaného v Santanderu, Španělsko, 28. června - 1. července 1993. - 1994-01. — ISBN 978-3-540-57755-3 . - doi : 10.1007/3-540-57755-6_36 . - .
  21. ↑ GF Smooth. Výsledky z 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 a kol. Nekosmologické příspěvky signálů k mapám anizotropie COBE DMR  //  The Astrophysical Journal . - IOP Publishing , 1993-04. — Sv. 77 . - doi : 10.1086/187000 . - .
  23. ↑ M. V. Sazhin, O. S. Khovanskaya. LAUREÁTI NOBELOVÉ CENY 2006  // Příroda  : časopis. - 2007. - č. 1 .
  24. ↑ WMAP PŘINÁŠÍ NOVÉ  VÝSLEDKY . NASA . Získáno 8. dubna 2022. Archivováno z originálu 1. dubna 2022.
  25. ↑ UFN, 2010 .

Literatura

Odkazy