Planck

Planck — космическая обсерватория Европейского космического агентства (ЕКА), предназначенная для изучения реликтового излучения (космического микроволнового фона, CMB) с беспрецедентной точностью. Запущенная в 2009 году, миссия проработала до 2013 года и позволила получить наиболее детальную на тот момент карту анизотропии реликтового излучения, что дало ключевые данные для космологии и проверки стандартной модели Вселенной (ΛCDM).

История

Предпосылки и разработка

Идея создания спутника для высокоточного измерения реликтового излучения возникла в 1990-х годах. Предыдущие миссии, такие как COBE (1989–1993) и WMAP (2001–2010), доказали, что флуктуации температуры излучения несут информацию о ранней Вселенной. Однако их угловое разрешение и чувствительность были ограничены. В 1996 году ЕКА выбрало проект Planck (названный в честь физика Макса Планка) в рамках программы «Горизонт 2000». Разработка велась консорциумом европейских институтов при участии NASA (США) и Канадского космического агентства.

Запуск и работа

Запуск состоялся 14 мая 2009 года с космодрома Куру (Французская Гвиана) на ракете-носителе Ariane 5. Спутник был выведен в точку Лагранжа L2 системы Солнце—Земля, находящуюся на расстоянии 1,5 млн км от Земли. Эта точка обеспечивает стабильные тепловые условия и минимальное влияние излучения Земли и Луны.

Первый обзор неба занял около 15 месяцев (август 2009 — ноябрь 2010). Второй обзор продолжался до января 2012 года. Всего Planck провёл пять полных сканирований неба. Основные научные данные собирались до 23 октября 2013 года, когда закончился запас жидкого гелия, необходимого для охлаждения детекторов. После этого аппарат использовался для калибровочных наблюдений до 2014 года, а затем был выведен на орбиту захоронения вокруг Солнца.

Устройство и характеристики

Конструкция

Planck представлял собой цилиндрический аппарат диаметром 4,2 м и высотой 4,2 м, массой около 1,9 тонны. Основные элементы:

• Телескоп: двухзеркальная система (главное зеркало диаметром 1,5 м) с фокусным расстоянием 1,5 м. Зеркала изготовлены из углепластика для минимизации теплового расширения.
• Научные инструменты: два прибора — низкочастотный (LFI) и высокочастотный (HFI) инструменты, работающие в диапазоне от 30 до 857 ГГц.
• Система охлаждения: пассивное охлаждение до 50 К (около −223 °C) и активное охлаждение жидким гелием до 0,1 К для HFI.
• Солнечный экран: защищает приборы от солнечного излучения, обеспечивая теневую сторону для наблюдений.

Инструменты

LFI (Low Frequency Instrument) — низкочастотный инструмент, работающий на частотах 30, 44 и 70 ГГц. Использовал 22 радиометра на основе HEMT-транзисторов (High Electron Mobility Transistor). Охлаждался до 20 К. Предназначался для измерения поляризации и крупномасштабных структур реликтового излучения.

HFI (High Frequency Instrument) — высокочастотный инструмент, работающий на частотах 100, 143, 217, 353, 545 и 857 ГГц. Использовал 52 болометра (термических детектора), охлаждаемых до 0,1 К. Позволял измерять спектр и поляризацию с высокой чувствительностью, а также регистрировать излучение пыли в нашей Галактике.

Параметры наблюдения

• Угловое разрешение: от 33 угловых минут (на 30 ГГц) до 5 угловых минут (на 857 ГГц).
• Чувствительность по температуре: около 1–2 мкК (микрокельвин) на пиксель.
• Поляризационная чувствительность: до 0,1 мкК.

Научные результаты

Карта реликтового излучения

Основной результат миссии — карта температурных флуктуаций реликтового излучения с разрешением в 5 угловых минут, опубликованная в 2013 году. Она подтвердила, что флуктуации соответствуют гауссову распределению с амплитудой около 18 мкК. Карта позволила уточнить параметры стандартной космологической модели (ΛCDM):

• Возраст Вселенной: 13,8 ± 0,04 млрд лет.
• Постоянная Хаббла: 67,4 ± 0,5 км/с/Мпк.
• Плотность барионной материи: 4,9% от критической плотности.
• Плотность тёмной материи: 26,4%.
• Плотность тёмной энергии: 68,7%.
• Спектральный индекс скалярных возмущений: 0,965 ± 0,004.

Поляризация и гравитационные волны

Planck измерил E-моду поляризации реликтового излучения, что подтвердило модель инфляционной Вселенной. Однако B-моду (след первичных гравитационных волн) не был обнаружен на уровне чувствительности прибора, что наложило ограничения на параметры инфляции (отношение тензор-скаляр r < 0,11).

Галактическая и внегалактическая астрономия

Помимо реликтового излучения, Planck зарегистрировал:

• Излучение межзвёздной пыли в Млечном Пути, что позволило создать карты её распределения и температуры.
• Тысячи галактик, активных ядер галактик (АЯГ) и квазаров в субмиллиметровом диапазоне.
• Скопления галактик по эффекту Сюняева—Зельдовича (искажение реликтового излучения при прохождении через горячий газ в скоплениях). Каталог Planck содержит более 1200 таких скоплений.

Аномалии и неожиданные результаты

• Холодное пятно: обнаружена область на юге неба с пониженной температурой реликтового излучения (на 70 мкК), что может быть связано с супервойдом (гигантской пустотой) или статистической флуктуацией.
• Асимметрия север-юг: незначительное, но статистически значимое различие в амплитуде флуктуаций между полушариями.
• Отсутствие корреляции на больших углах: несоответствие предсказаний инфляционной модели для угловых масштабов более 60 градусов.

Значение и наследие

Миссия Planck стала важнейшим этапом в космологии. Её данные позволили с высокой точностью определить параметры Вселенной, подтвердив стандартную модель ΛCDM. Вместе с тем, обнаруженные аномалии стимулировали поиск альтернативных теорий, включая модификации инфляционной модели и гипотезы о мультивселенной. Данные Planck остаются эталонными для последующих миссий, таких как LiteBIRD (Япония) и Simons Observatory (США).

Интересные факты

• Название «Planck» выбрано в честь Макса Планка, основоположника квантовой физики, чья постоянная используется в космологии.
• Для охлаждения HFI использовалось 2 000 литров жидкого гелия, который испарялся со скоростью 1 грамм в секунду.
• Planck был одним из самых холодных объектов в космосе — температура его детекторов составляла 0,1 К, что лишь на 0,1 градуса выше абсолютного нуля.
• Карта реликтового излучения, полученная Planck, содержит более 50 миллионов пикселей.

Источники

• Planck Collaboration. «Planck 2013 results. I. Overview of the Planck mission». Astronomy & Astrophysics, 2014.
• Planck Collaboration. «Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters». Astronomy & Astrophysics, 2020.
• European Space Agency. «Planck: The Scientific Programme». ESA-SCI(2005)1, 2005.
• Bennett, C. L. et al. «Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Final Maps and Results». The Astrophysical Journal Supplement Series, 2013.
• Линде, А. Д. «Инфляционная космология». Успехи физических наук, 2015.