WMAP

WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, «Зонд Уилкинсона для исследования анизотропии микроволнового излучения») — космический аппарат НАСА, предназначенный для изучения реликтового микроволнового излучения (космического микроволнового фона, CMB). Запущенный в 2001 году, WMAP стал первым экспериментом, позволившим построить карту температурных флуктуаций реликтового излучения с высоким разрешением по всему небу. Данные, полученные WMAP, сыграли ключевую роль в уточнении стандартной космологической модели ΛCDM (лямбда-CDM), определении возраста Вселенной, её состава и геометрии.

История создания и миссия

Предпосылки

Реликтовое излучение, открытое в 1965 году Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном, является электромагнитным излучением, возникшим в эпоху рекомбинации (около 380 000 лет после Большого взрыва). Его спектр соответствует излучению абсолютно чёрного тела с температурой около 2,7 К. В 1992 году спутник COBE (Cosmic Background Explorer) впервые обнаружил анизотропию (отклонения от однородности) этого излучения на уровне 10⁻⁵. Однако разрешение COBE (около 7 градусов) было недостаточным для детального анализа угловых флуктуаций. Для более точного измерения требовался аппарат с лучшим угловым разрешением и чувствительностью.

Разработка и запуск

Проект WMAP был предложен в 1995 году как часть программы НАСА «Explorer». Разработкой руководил Чарльз Беннетт (Университет Джонса Хопкинса). Аппарат был назван в честь Дэвида Уилкинсона, одного из пионеров космологии, скончавшегося в 2002 году. WMAP был запущен 30 июня 2001 года с мыса Канаверал ракетой-носителем «Дельта II». После запуска аппарат совершил гравитационный манёвр у Луны и вышел на гало-орбиту вокруг точки Лагранжа L2 системы Солнце-Земля, находящейся на расстоянии 1,5 миллиона километров от Земли. Эта точка обеспечивает стабильное тепловое окружение и минимальное влияние излучения Земли и Луны.

Продолжительность и завершение

Первоначально миссия была рассчитана на 27 месяцев, но была продлена до 2010 года. За это время WMAP провёл 9 полных сканирований неба. Последние данные были опубликованы в 2012 году (9-летний релиз). После завершения научной программы в 2010 году аппарат был переведён на орбиту захоронения вокруг Солнца, где продолжает находиться.

Конструкция и принцип работы

Инструменты

Основным научным инструментом WMAP был радиометр, работающий в пяти частотных диапазонах: K (22,8 ГГц), Ka (33,0 ГГц), Q (40,7 ГГц), V (60,8 ГГц) и W (93,5 ГГц). Использование нескольких частот позволяло отделять сигнал реликтового излучения от фоновых источников (синхротронное излучение Галактики, тепловое излучение пыли, радиоизлучение точечных источников).

Аппарат был оснащён двумя симметричными телескопами-рефлекторами (диаметром 1,4 метра каждый), которые фокусировали микроволновое излучение на 20 приёмниках (по 10 на каждый телескоп). Система охлаждения пассивного типа поддерживала температуру приёмников около 90 К (-183 °C), что снижало собственный тепловой шум.

Метод наблюдения

WMAP вращался вокруг своей оси с периодом 2,2 минуты, сканируя небо по кругу. Прецессия оси вращения (период около 1 часа) позволяла постепенно покрывать всю небесную сферу. Для калибровки использовались наблюдения Луны и Юпитера, а также сравнение с данными COBE. Угловое разрешение WMAP составляло от 0,2° до 0,9° в зависимости от частотного диапазона, что примерно в 30 раз лучше, чем у COBE.

Научные результаты

Карта анизотропии

Первая карта WMAP была опубликована в 2003 году. Она показала, что флуктуации температуры реликтового излучения имеют характерные угловые масштабы, соответствующие акустическим осцилляциям в первичной плазме. Эти осцилляции, или «пики» в угловом спектре мощности, позволили определить ключевые космологические параметры.

Космологические параметры

На основе данных WMAP были получены следующие значения (по 9-летнему релизу, 2012 год):

• Возраст Вселенной: 13,772 ± 0,059 миллиарда лет.
• Постоянная Хаббла: 69,32 ± 0,80 км/с/Мпк.
• Плотность барионной материи (Ωb): 4,63 ± 0,05 % от критической плотности.
• Плотность тёмной материи (Ωc): 24,02 ± 0,88 %.
• Плотность тёмной энергии (ΩΛ): 71,35 ± 0,89 %.
• Спектральный индекс (n_s): 0,9608 ± 0,0080 (отклонение от единицы, указывающее на почти масштабно-инвариантный спектр первичных возмущений).
• Оптическая толщина реионизации (τ): 0,089 ± 0,014.

Эти данные подтвердили, что Вселенная имеет плоскую геометрию (Ω_total = 1,002 ± 0,011) и что тёмная энергия является доминирующим компонентом.

Подтверждение инфляционной модели

WMAP предоставил сильные наблюдательные свидетельства в пользу теории космической инфляции — быстрого экспоненциального расширения Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва. Спектр флуктуаций, измеренный WMAP, оказался близок к масштабно-инвариантному (n_s ≈ 0,96), что согласуется с предсказаниями простых инфляционных моделей. Кроме того, WMAP не обнаружил значительных негауссовских отклонений, что также соответствует базовой инфляционной парадигме.

Поляризация

WMAP также измерил поляризацию реликтового излучения, что позволило изучать эпоху реионизации (когда первые звёзды и галактики ионизировали межгалактический газ). Данные о поляризации на больших угловых масштабах указали на то, что реионизация произошла на красном смещении z ≈ 10,7 ± 1,2.

Влияние на космологию

Стандартная модель

Результаты WMAP стали основой для утверждения стандартной космологической модели ΛCDM. До WMAP существовали значительные неопределённости в параметрах Вселенной; после WMAP они были сокращены до уровня нескольких процентов. Модель ΛCDM, основанная на данных WMAP, описывает Вселенную, состоящую в основном из тёмной энергии (Λ) и холодной тёмной материи (CDM), с небольшой примесью обычной барионной материи.

Сравнение с последующими миссиями

WMAP был предшественником более точного европейского спутника «Планк» (Planck, запущен в 2009 году). Данные «Планка» (2013–2018) уточнили параметры, полученные WMAP, но в целом подтвердили их. Например, возраст Вселенной по «Планку» составил 13,787 миллиарда лет, а постоянная Хаббла — 67,4 км/с/Мпк. Небольшие расхождения между WMAP и «Планком» (например, в значении оптической толщины) объясняются разными методами обработки данных и разными частотными диапазонами.

Интересные факты

• WMAP был назван в честь Дэвида Уилкинсона, который также участвовал в эксперименте COBE. Уилкинсон скончался от рака в 2002 году, за несколько месяцев до публикации первых результатов WMAP.
• Аппарат был построен на базе платформы, использовавшейся для военных спутников связи, что снизило стоимость разработки.
• Данные WMAP находятся в открытом доступе и используются космологами по всему миру для проверки различных моделей Вселенной.
• WMAP первым подтвердил, что флуктуации реликтового излучения имеют спектр, близкий к масштабно-инвариантному, что является одним из ключевых предсказаний инфляционной теории.

Источники

• Bennett, C. L., et al. (2013). Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Final Maps and Results. The Astrophysical Journal Supplement Series, 208(2), 20.
• Hinshaw, G., et al. (2013). Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Cosmological Parameter Results. The Astrophysical Journal Supplement Series, 208(2), 19.
• Jarosik, N., et al. (2011). Seven-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Sky Maps, Systematic Errors, and Basic Results. The Astrophysical Journal Supplement Series, 192(2), 14.
• Komatsu, E., et al. (2011). Seven-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Cosmological Interpretation. The Astrophysical Journal Supplement Series, 192(2), 18.
• Planck Collaboration (2020). Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters. Astronomy & Astrophysics, 641, A6.