Cosmic Background Explorer
| COBE (Cosmic Background Explorer) | |
| kozmický ďalekohľad | |
 Umelecká predstava o družici COBE vo vesmíre | |
| Prevádzkovateľ | NASA |
|---|---|
| Hlavní dodávatelia | Goddard Space Flight Center |
| Iné názvy | Explorer 66 |
| Družica | Zeme |
| Dátum štartu | 18. november 1989 |
| Nosná raketa | Delta 5920 |
| Kozmodróm | Vandenberg Air Force Base |
| Trvanie misie | ~4 roky |
| COSPAR ID | 1989-089A |
| Hmotnosť | 2265 kg |
| Elementy dráhy | |
| Typ dráhy | geocentrická |
| Výška | ~ 900.2 km |
| Doba obehu | ~ 102,6 minút |
| Teleskop | |
| Typ | mikrovlnné a infračervené observatórium |
| Vlnová dĺžka | 1 µm – 10 mm |
| Chladiaca látka | kvapalné hélium |
| Prístroje | |
| FIRAS | Kryogénny ďalekohľad so spektrometrom |
| DIRBE | detektor rozptýleného infračerveného žiarenia |
| DMR | diferenciálny mikrovlnný rádiometer |
Cosmic Background Explorer (COBE) bola prvá americká družica, ktorá sa v rokoch 1989 až 1993 venovala kozmológii. Jej úlohou bolo presne zmerať infračervené a mikrovlnové pozadie prichádzajúce zo všetkých smerov, ktoré je pozostatkom po Veľkom tresku. Misia COBE býva označovaná za začiatok éry presnej kozmológie a na jej výsledky neskôr nadviazali družice WMAP a Planck.
NASA vypustila družicu COBE v roku 1989 prostredníctvom nosnej rakety Delta. Na jej palube pracovali tri prístroje: DIRBE, prístroj na meranie difúzneho infračerveného žiarenia, spektrofotometer pre ďalekú infračervenú oblasť FIRAS, a DMR, diferenciálne mikrovlnné rádiometre. Elektrickú energiu jej dodávali solárne panely.
Merania z družice potvrdili správnosť teórie Veľkého tresku a navyše sa zistilo, že v teplote žiarenia, ktoré jej jeho pozostatkom, sú nepatrné rozdiely.
História vzniku
[upraviť | upraviť zdroj]Podnetom na vznik misie bol objav reliktového žiarenia, ktoré v roku 1965 detegovali Arno Penzias a Robert Wilson. Toto žiarenie, interpretované ako ochladený pozostatok horúcej ranej fázy vesmíru, bolo možné zo zemského povrchu skúmať len obmedzene, pretože atmosféra pohlcuje veľkú časť mikrovlnného a infračerveného žiarenia a sama v oboroch spektrách intenzívne žiari. Presné meranie spektra a rozloženia reliktového žiarenia po celej oblohe si preto vyžadovalo družicu pracujúcu mimo atmosféry.
V roku 1974 vypísala NASA výzvu na predkladanie návrhov malých a stredných astronomických misií. Spomedzi viac než stovky doručených návrhov boli tri venované práve výskumu kozmického mikrovlnného pozadia – ich autormi boli tímy okolo Johna Mathera (vtedy NASA Goddard Institute for Space Studies), George Smoota (Lawrence Berkeley Laboratory) a Samuela Gulkisa (Jet Propulsion Laboratory). NASA v roku 1976 zlúčila tieto skupiny do jedného vedeckého tímu, ktorý vypracoval koncepciu jednej družice s tromi prístrojmi. Projekt dostal názov Cosmic Background Explorer a jeho vývoj a stavba boli zverené Goddardovmu stredisku kozmických letov (Goddard Space Flight Center) v Greenbelte v štáte Maryland. Vedeckým vedúcim celej misie sa stal John Mather. Definitívne schválenie stavby družice prišlo v roku 1982.
Pôvodne sa počítalo so štartom na nosnej rakete Delta, neskôr však NASA rozhodla, že družica bude vynesená raketoplánom Space Shuttle – let bol plánovaný na rok 1988 zo základne Vandenberg v Kalifornii pod označením STS-62-A, resp. STS-82-B. Havária raketoplánu Challenger v januári 1986 a následné prerušenie letov raketoplánov tieto plány zmarili. Keďže lety raketoplánov zo západného pobrežia boli zrušené úplne a iné nosiče neboli okamžite k dispozícii, inžinieri v Goddardovom stredisku družicu v rokoch 1986 – 1989 výrazne prekonštruovali: museli znížiť jej hmotnosť a rozmery tak, aby sa zmestila pod aerodynamický kryt rakety Delta, pričom bolo potrebné zachovať všetky tri vedecké prístroje aj prísne tepelné a magnetické požiadavky. Družica vrátane veľkej časti subsystémov bola postavená priamo v Goddardovom stredisku, čo bolo v tom čase pre NASA nezvyčajné.
COBE napokon odštartovala 18. novembra 1989 o 14:34 svetového času zo základne Vandenberg pomocou nosnej rakety Delta 5920-8, pätnásť rokov po prvom návrhu misie. Raketa ju naviedla na heliosynchrónnu obežnú dráhu vo výške približne 900 km so sklonom 99° k rovníku a obežnou dobou okolo 103 minút. Takáto dráha, vedúca približne pozdĺž rozhrania dňa a noci, umožňovala trvalo odvracať prístroje od Slnka a Zeme a postupne tak premeriavať celú oblohu. Plánovaná životnosť misie bola šesť mesiacov, družica však pracovala viac než štyri roky. Jej činnosť bola ukončená 23. decembra 1993.
Konštrukcia
[upraviť | upraviť zdroj]COBE bola trojosovo stabilizovaná družica triedy Explorer s vlastnou rotáciou okolo pozdĺžnej osi rýchlosťou približne 0,8 otáčky za minútu, ktorá slúžila na priebežné skenovanie oblohy a potláčanie systematických chýb meraní. Pri štarte mala hmotnosť 2 206 kg (z toho suchá hmotnosť tvorila 1 408 kg), výšku 5,49 m a priemer 2,44 m. Po rozvinutí troch panelov slnečných batérií, ktoré dodávali výkon približne 750 W, dosahovalo jej rozpätie asi 8,5 m.
Charakteristickým prvkom konštrukcie bol veľký kužeľovitý tienič, ktorý chránil vedecké prístroje pred priamym žiarením Slnka a Zeme, pred rádiofrekvenčným rušením z vysielačov samotnej družice i pozemných zdrojov a zároveň tepelne izoloval kryostat. V hornej časti družice sa nachádzal Dewarov kryostat s objemom 650 litrov naplnený supratekutým héliom, ktoré udržiavalo dva z troch prístrojov (FIRAS a DIRBE) pri teplote okolo 1,5 K. Zásoba hélia vystačila na 306 dní kryogénnej prevádzky, teda do septembra 1990.
Družica niesla tri vedecké prístroje:
FIRAS (Far Infrared Absolute Spectrophotometer) bol absolútny spektrofotometer pre ďalekú infračervenú oblasť, určený na porovnanie spektra reliktového žiarenia so spektrom dokonale čierneho telesa v rozsahu vlnových dĺžok 0,1 až 10 mm. Jeho základom bol polarizačný Michelsonov interferometer s bolometrickými detektormi, chladený na teplotu 1,5 K, vybavený výklopným externým kalibračným čiernym telesom, ktoré bolo možné vsunúť priamo do vstupnej apertúry prístroja, a vnútorným referenčným čiernym telesom s nastaviteľnou teplotou. Práve táto kalibračná koncepcia umožnila dosiahnuť bezprecedentnú absolútnu presnosť merania. Prístroj mal zorné pole so šírkou 7°.
DMR (Differential Microwave Radiometer) tvorila sústava šiestich diferenciálnych mikrovlnných rádiometrov pracujúcich na frekvenciách 31,5; 53 a 90 GHz (vlnové dĺžky 9,5; 5,7 a 3,3 mm). Prístroj nemeral absolútnu intenzitu žiarenia, ale rozdiel teplôt medzi dvojicami smerov na oblohe vzdialených od seba 60°, ktoré snímali kornútové antény s uhlovým rozlíšením približne 7°. Cieľom bolo zmapovať rozloženie reliktového žiarenia po celej oblohe a nájsť v ňom očakávané drobné teplotné fluktuácie. Tri frekvenčné pásma umožňovali odlíšiť kozmologický signál od žiarenia Galaxie. Vedúcim prístroja bol George Smoot.
DIRBE (Diffuse Infrared Background Experiment) bol absolútny fotometer na meranie jasu celej oblohy v desiatich infračervených pásmach od 1,25 do 240 μm s uhlovým rozlíšením 0,7°.[1] Jeho úlohou bolo vyhľadať kozmické infračervené pozadie, čo si vyžadovalo starostlivé meranie a odčítanie všetkých popredných zdrojov žiarenia – medziplanetárneho prachu, hviezd a medzihviezdnej hmoty Galaxie. Vedúcim prístroja bol Michael Hauser; detektory boli rovnako ako pri prístroji FIRAS chladené héliom z kryostatu. Po vyčerpaní chladiva pokračovali v práci len krátkovlnné kanály DIRBE a prístroj DMR, ktorý kryogénne chladenie nepotreboval.
Vedecké ciele
[upraviť | upraviť zdroj]Misia mala tri hlavné, navzájom previazané ciele zodpovedajúce trom prístrojom. Prvým bolo zmerať spektrum reliktového žiarenia s presnosťou rádovo 0,1 % a overiť, či zodpovedá žiareniu absolútne čierneho telesa, ako predpovedá teória veľkého tresku. Akékoľvek odchýlky by svedčili o uvoľňovaní energie v ranom vesmíre, napríklad pri rozpade exotických častíc alebo existencii horúceho medzigalaktického plynu. Druhým cieľom bolo nájsť anizotropiu reliktového žiarenia, teda nepatrné rozdiely jeho teploty v rôznych smeroch. Teórie vzniku galaxií a veľkorozmerovej štruktúry vesmíru gravitačným zhlukovaním hmoty vyžadovali, aby v čase oddelenia žiarenia od látky (asi 380 000 rokov po veľkom tresku) existovali zárodočné fluktuácie hustoty, ktoré sa museli odtlačiť do teploty žiarenia. Ich dlhoročné márne hľadanie zo zemského povrchu predstavovalo vážny problém kozmológie. Tretím cieľom bolo detegovať kozmické infračervené pozadie, teda nahromadené svetlo prvých hviezd a galaxií posunuté rozpínaním vesmíru do infračervenej oblasti, a tým získať informácie o ére formovania prvých svietiacich objektov.
Výsledky výskumu
[upraviť | upraviť zdroj]Prvý zásadný výsledok prišiel necelé dva mesiace po štarte. V januári 1990 predstavil John Mather na zasadnutí Americkej astronomickej spoločnosti predbežné spektrum reliktového žiarenia získané prístrojom FIRAS len z deviatich minút pozorovaní: dáta presne sledovali krivku čierneho telesa a publikum reagovalo búrlivými ováciami. Konečné spracovanie celého súboru meraní ukázalo, že spektrum reliktového žiarenia je najdokonalejším spektrom čierneho telesa, aké bolo kedy v prírode namerané, s teplotou 2,725 ± 0,002 K (neskoršie rekalibrácie hodnotu spresnili na 2,725 ± 0,001 K) a odchýlkami menšími než 0,03 % maximálnej intenzity, resp. asi 50 milióntin. Tento výsledok prakticky vylúčil alternatívne kozmologické modely (napríklad teóriu ustáleného stavu, ktorá vysvetľovala pozadie rozptýleným svetlom hviezd) a stanovil mimoriadne prísne limity na množstvo energie, ktoré sa mohlo vo vesmíre uvoľniť po prvom roku jeho existencie.
Druhým, ešte slávnejším výsledkom bol objav anizotropie reliktového žiarenia. Po odčítaní dipólovej zložky, spôsobenej pohybom slnečnej sústavy voči reliktovému žiareniu rýchlosťou približne 370 km/s, a po odstránení žiarenia Galaxie odhalil prístroj DMR v dátach z prvého roka merania štatisticky významné teplotné fluktuácie s relatívnou amplitúdou rádovo jednej stotisíciny (asi 30 μK na uhlových škálach 7° a väčších). Ich rozloženie zodpovedalo škálovo invariantnému spektru prvotných fluktuácií hustoty, aké predpovedá inflačná kozmológia. Objav, ktorý tím oznámil 23. apríla 1992, mal mimoriadny ohlas – správa obletela svet a dostala sa na titulnú stranu denníka The New York Times. Stephen Hawking ho vtedy označil za najvýznamnejší objav storočia, ak nie všetkých čias.[2] Mapa fluktuácií z DMR, populárne nazývaná „detská fotografia vesmíru“, zobrazila zárodky, z ktorých sa gravitačným zhlukovaním vyvinuli dnešné galaxie a ich kopy. Súbor dát zo všetkých štyroch rokov merania DMR bol publikovaný v roku 1996 a nezávislé porovnanie s dátami FIRAS potvrdilo kozmologický pôvod signálu.
Aj tretí prístroj dosiahol svoj hlavný cieľ. DIRBE zmapoval jas celej oblohy v desiatich infračervených pásmach a jeho mapy sa stali základným zdrojom údajov o medziplanetárnom prachu a o rozložení hviezd a prachu v našej galaxii. Po rokoch náročného modelovania a odčítavania týchto popredí oznámil tím v roku 1998 prvú detekciu kozmického infračerveného pozadia v pásmach 140 a 240 μm,[3] neskôr doplnenú o detekciu v blízkej infračervenej oblasti (2,2 a 3,5 μm). Ukázalo sa, že celková energia tohto pozadia je porovnateľná s energiou svetla všetkých galaxií vo viditeľnom obore, čo svedčí o značnej hviezdotvorbe ukrytej v ranom vesmíre za závojmi prachu.
Význam misie ocenila v roku 2006 Nobelova komisia, ktorá udelila Nobelovu cenu za fyziku Johnovi Matherovi a Georgeovi Smootovi „za objav čiernotelesovej formy a anizotropie kozmického mikrovlnného pozadia“. Vo zdôvodnení sa uvádza, že misia COBE premenila kozmológiu na presnú vedu. Na merania COBE priamo nadviazali družice WMAP (2001) a Planck (2009),[4] ktoré zmapovali anizotropiu reliktového žiarenia s mnohonásobne vyšším uhlovým rozlíšením a citlivosťou. Absolútne meranie spektra prístrojom FIRAS však dodnes nebolo prekonané.
Referencie
[upraviť | upraviť zdroj]- ↑ National Aeronautics and Space Administration [online]. lambda.gsfc.nasa.gov, [cit. 2026-06-11]. Dostupné online.
- ↑ SpaceRef. NASA and COBE Scientists Win Top Cosmology Prize. SpaceNews (Boulder, Colorado: Pocket Ventures), 2006-08-16. Dostupné online [cit. 2026-06-11]. ISSN 1046-6940.
- ↑ BCCP [online]. aether.lbl.gov, [cit. 2026-06-11]. Dostupné online.
- ↑ COBE Satellite Marks 20th Anniversary [online]. nasa.gov, 2009-11-17, [cit. 2026-06-11]. Dostupné online.
Zdroj
[upraviť | upraviť zdroj]Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Cosmic Background Explorer na anglickej Wikipédii.
Iné projekty
[upraviť | upraviť zdroj]
Commons ponúka multimediálne súbory na tému Cosmic Background Explorer
