Utente:Vale maio/Sandbox2
en:Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Template:MissioneSpaziale
Il Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), conosciuto anche come sonda spaziale per l'anisotropia delle microonde ((EN) : Microwave Anisotropy Probe (MAP)), e Explorer 80, è un satellite che misura ciò che rimane delle radiazioni dovute al Big Bang, ovvero la radiazione cosmica di fondo. Diretto dal professore della Johns Hopkins University Charles L. Bennett, si tratta di un progetto che prevede la collaborazione tra il Goddard Space Flight Center della NASA e l'Università di Princeton.[1] Il satellite WMAP è stato lanciato il 30 giugno 2001, alle ore 19:46 (GDT) dallo stato della Florida. Il WMAP è l'erede dei satelliti COBE e MIDEX previsti dal programma Explorer. Tale satellite è stato così chiamato in onore di David Todd Wilkinson (1935-2002).[1]
Le rilevazioni del WMAP sono più precise di quelle dei suoi predecessori; secondo il modello Lambda-CDM, l'età dell'universo è stata calcolata in 13.73 ± 0.12 miliardi di anni, con una costante di Hubble di 70.1 ± 1.3 km·s-1·Mpc-1, una composizione del 4,6% di materia barionica ordinaria; 23 % di materia oscura di natura sconosciuta, la quale non assorbe o emette luce; 72% di energia oscura la quale accelera l'espansione; infine meno del 1% di neutrini. Tutti questi dati sono coerenti con l'ipotesi che l'universo abbia una geometria piatta, e anche con il rapporto tra densità d'energia e densità critica di Ω = 1.02 ± 0.02. Questi dati supportano il modello Lambda-CDM e gli scenari cosmologici dell'inflazione, dando anche prova della radiazione cosmica di fondo di neutrini.[2]
Ma questi dati contengono anche caratteristiche inspiegate: una anomalia nella massima misura ngolare del momento quadrupolico, ed una grande macchia fredda nella radiazione cosmica di fondo. Secondo la rivista scientifica Science, il WMAP è stato il Breakthrough of the Year for 2003 (scoperta dell'anno 2003).[3] I risultati di questa missione sono stati al primo e al secondo posto della lista "Super Hot Papers in Science Since 2003".[4] Alla fine del 2008 il satellite WMAP era ancora in funzione, mentre è prevista la sua dismissione per il mese di settembre 2009.
Obiettivi
Lo scopo primario del progetto WMAP è la misurazione delle differenze di temperatura nella radiazione cosmica di fondo. Le anisotropie della radiazione vengono quindi utilizzate per calcolare la geometria dell'universo, il suo contenuto e l'evoluzione, e per testare i modelli del Big Bang e dell'inflazione cosmologica.[5] Per questo, questo satellite sta creando una mappa completa della radiazione di fondo, con una risoluzione di 13 arcominuti tramite una osservazione multi frequenza. Tale mappa, per assicurare una accuratezza angolare pari alla sua risoluzione, richiede alcuni errori sistematici, pixel di rumore non correlati tra loro ed una calibrazione accurata.[5] La mappa è formata da 3,145,728 pixel e usa lo schema HEALPix per trasformare in pixel la sfera.[6] Il telescopio misura inoltre la polarizzazione E-mode della radiazione di fondo[5], e la polarizzazione in primo piano. [2] La sua vita è di 27 mesi: 3 mesi per ricercare la posizione L2, ed i restanti 24 mesi di osservazione.[5]
Sviluppo
La missione MAP venne proposta alla NASA nel 1995, selezionata per uno studio approfondito nel 1996 e approvata per lo sviluppo definitivo nel 1997.[7][8]
Il WMAP è stato preceduto da altri due satelliti per l'analisi della radiazione di fondo:
- la sonda sovietica RELIKT-1, la quale ha riportato i limiti superiori dell'analisi delle anisotropie della radiazione di fondo;
- la sonda statunitense COBE, la quale ha riportato fluttuazioni su larga scala della radiazione di fondo.
Vi sono stati anche altri 3 esperimenti, basati però sull'utilizzo di palloni sonda, che hanno analizzato piccole porzioni di cielo ma in modo più dettagliato:
- il pallone BOOMERanG;
- il Cosmic Background Imager;
- il Very Small Array.
Il WMAP, rispetto al suo predecessore COBE, ha una sensibilità 45 volte superiore, ed una risoluzione angolare più precisa di 33 volte.[9]
La sonda
Gli specchi primari del WAMP sono una coppia di gregoriani, di dimensioni 1,4 metri e 1,6 metri, rivolti in direzioni opposte tra loro, i quali focalizzano il segnale ottico su degli specchi secondari grandi 0,9 m x 1,0 m. Questi specchi sono stati modellati per ottenere delle prestazioni ottimali: una corazza in fibra di carbonio che protegge un nocciolo in Korex, ricoperto ulteriormente da uno strato sottile di alluminio e ossido di silicio. Gli specchi secondari riflettono il segnale a dei sensori ondulati, posti sul piano focale tra i due specchi primari.[5]
I ricevitori sono costituiti da dei radiometri differenziali sensitivi alla polarizzazione elettromagnetica. Il segnale viene amplificato quindi da un amplificatore a basso rumore di tipo HEMT. Sono presenti 20 alimentatori, 10 per ogni direzione, dai quali i radiometri raccolgono i segnali; la misura finale corrisponde nella differenza tra i segnali provenienti da direzioni opposte. La separazione azimuth direzionale è di 180 gradi; l'angolo totale è di 141 gradi.[5] Per evitare di captare anche segnali di disturbo provenienti dalla Via Lattea, il WMAP lavora su 5 frequenze radio discrete, da 23 GHz a 94 GHz.[5]
Proprietà | Banda K | Banda Ka | Banda Q | Banda V | Banda W |
---|---|---|---|---|---|
Lunghezza d'onda centrale (mm) | 13 | 9.1 | 7.3 | 4.9 | 3.2 |
Frequenza centrale (GHz) | 23 | 33 | 41 | 61 | 94 |
Larghezza di banda (GHz) | 5.5 | 7.0 | 8.3 | 14.0 | 20.5 |
Misura del raggio (arcominuti) | 52.8 | 39.6 | 30.6 | 21 | 13.2 |
Numero di radiometri | 2 | 2 | 4 | 4 | 8 |
Temperatura del sistema (K) | 29 | 39 | 59 | 92 | 145 |
Sensibilità (mK s ) | 0.8 | 0.8 | 1.0 | 1.2 | 1.6 |
La base del WMAP è costituita da un pannello solare di 5 metri di diametro, il quale tiene la sonda costantemente all'ombra durante il rilevamento della radiazione di fondo.[10] Al di sopra del pannello si trova l'apparato di raffreddamento della sonda. Tra questo apparato di raffreddamento e gli specchi, è posizionato un cilindro per l'isolamento termico, dellla lunghezza di 33 cm.[5]
Il raffreddamento del WMAP è affidato a dei radiatori passivi, i quali raggiungono una temperatura di 90 K circa (-183,15 °C); questi radiatori sono connessi agli amplificatori a basso rumore. Il consumo totale del telescopio arriva a 419 W. La temperatura della sonda è controllata da una termoresistenza di platino.[5]
La calibrazione di WMAP viene effettuata eseguendo una misurazione di Giove rispetto al dipolo della radiazione cosmica di fondo. I dati del WMAP vengono trasmessi giornalmente tramite un trasponder in funzione alla frequenza di 2 GHz, il quale provvede a trasmettere il segnale ad uno dei telescopi della rete Deep Space Network, ad una velocità di traferimento di 667 Kbit/s. Il satellite è provvisto di 2 trasponder di cui uno, ridondante, è di riserva; questi sono attivi per un breve periodo giornaliero (circa 40 minuti al giorno), per evitare radiointerferenze. La posizione del telescopio è mantenuta stabile, lungo i 3 assi spaziali, da uno speciale volano a reazione, da vari giroscopi, da due star tracker e da vari sensori che ne determinano la posizione rispetto al Sole. Il riposizionamento viene effettuato grazie ad 8 motori ad idrazina.[5]
Lancio, traiettoria e orbita
Il WMAP, una volta completata la sua costruzione, è arrivato al John F. Kennedy Space Center il 20 aprile 2001, dopodichè, dopo un test durato 2 mesi, è stato spedito in orbita tramite un razzo Delta II 7425 il 30 giugno 2001.[9][7] La sonda ha iniziato ad usare la propria scorta di energia interna da 5 minuti prima del lancio fino al completo dispiegamento del pannello solare. L'attivazione completa della sonda, e il suo monitoraggio, sono partiti al raggiungimento della temperatura di raffreddamento operativa. Dopodichè, la sonda ha effettuato 3 loop graduali tra la Terra e la Luna quindi, il 30 luglio, ha iniziato il viaggio verso il punto di Lagrange L2 Sole-Terra, raggiungendolo in data 1º ottobre 2001. In questo modo, il WMAP è diventato il primo satellite per la scansione della radiazione di fondo a trovarsi permanentemente in tale punto.[7]
Il posizionamento dell'orbita al punto di Lagrange 2 (1,5 milioni di Km circa dalla Terra), minimizza le emissioni di interferenza proveniente dal Sole, dalla Terra e dalla Luna, permettendo anche una stabilità termica degli strumenti. Per poter analizzare il cielo senza puntare verso il Sole, il WMAP orbita nel punto L2 con un'orbita di Lissajous, con un angolo che varia dai 1,0 ai 10,0 gradi[5], ed un periodo di 6 mesi.[7] Il telescopio ruota ogni 2 minuti e 9 secondi (0,464 giri/min), e procede alla velocità di 1 rivoluzione all'ora.[5] Il WMAP compie un'intera analisi del cielo ogni 6 mesi, completando la prima nell'aprile del 2002.[8]
Rimozione delle emissioni inquinanti
Il WMAP raccoglie dati in cinque lunghezze d'onda differenti, permettendo così di eliminare varie radiazioni contaminanti la radiazione di fondo (provenienti dalla Via Lattea o da altre fonti extra galattiche). I meccanismi principali di emissione sono radiazioni sincrotroniche e Bremsstrahlung (quest'ultima detta anche free-free emission, radiazione di frenamento), le quali predominano le frequenze più basse, mentre alle frequenze più alte la principale fonte di emissione sono le polveri astrofisiche. Le proprietà di spettro di queste emissioni danno un contributo diverso nelle cinque frequenze analizate, permettendo così la loro identificazione e successiva eliminazione.[5]
Le contaminazioni di fondo vengono rimosse in vari modi.
- Si eliminano le emissioni ancora presenti nelle misurazioni del WMAP;
- utilizzando i componenti conosciuti delle misurazioni del WMAP, ne si utilizzando i valori di spettro per identificarli;
- vengono adattati simultaneamente la posizione e l'elemento dell'emissione, utilizzando vari parametri extra.
Le emissioni inquinanti vengono anche rimosse prendendo in considerazione solo la porzione analizzata del cielo con la minore quantità di radiazioni inquinanti, mascherando la porzione rimanente di cielo.[5]
23 GHz | 33 GHz | 41 GHz | 61 GHz | 94 GHz |
Dati e scoperte
Dati del primo anno
L'11 febbraio 2003 la NASA ha pubblicato i risultati del primo anno di funzionamento del WMAP, rendendo noti dati come l'età dell'universo, la sua composizione ed una sua immagine dettagliata, la quale, a detta degli scienziati, contiene dettagli così sbalorditivi che potrebbe essere considerato uno dei migliori risultati scientifici degli ultimi anni ((EN) : contains such stunning detail, that it may be one of the most important scientific results of recent years). La qualità e la precisione di tali dati supera di gran lunga ogni altro dato precedente sulla radiazione cosmica di fondo.[1]
Basandosi sul Modello Lambda-CDM, gli scienziati del WMAP hanno estrapolato i dati cosmologici partendo dai dati del primo anno. Nella colonna sottostante vengono forniti tre tipi di dati: i primi due (Dato migliore (solo WMAP) e Dato migliore (WMAP e parametri extra)) si riferiscono ai risultati ottenuti dal WMAP; la differenza fra questi due tipi di dati risiede nell'addizione degl'indici spettrali nella seconda colonna, previsti da alcuni modelli inflazionari. La terza colonna di dati (Dato migliore (tutti i dati)), invece, combina i dati con le restrizioni calcolate da altri esperimenti (come ACBAR e CBI), e con altre restrizioni derivanti dalla foresta Lyman-alpha e dal 2dF Galaxy Redshift Survey. Da notare che queste restrizioni sono delle degenerazioni sui parametri del WMAP, e la più significava si trova fra e . Gli errori sui dati presentano un intervallo di confidenza del 68%.[11]
Parametero | Simbolo | Dato migliore (solo WMAP) | Dato migliore (WMAP e parametri extra) | Dato migliore (tutti i dati) |
---|---|---|---|---|
Costante di Hubble km/Mpc·s | 0.72 ± 0.05 | 0.70 ± 0.05 | ||
Contenuto barionico | 0.024 ± 0.001 | 0.023 ± 0.002 | 0.0224 ± 0.0009 | |
Contenuto di materia | 0.14 ± 0.02 | 0.14 ± 0.02 | ||
Profondità ottica alla reionizzazione | 0.20 ± 0.07 | 0.17 ± 0.06 | ||
Ampiezza | 0.9 ± 0.1 | 0.92 ± 0.12 | ||
Indice spettrale | 0.99 ± 0.04 | 0.93 ± 0.03 | ||
Variazione dell'indice spettrale | — | -0.047 ± 0.04 | ||
Ampiezza fluttuazioni a 8h−1 Mpc | 0.9 ± 0.1 | — | 0.84 ± 0.04 | |
Età dell'universo (Ga) | 13.4 ± 0.3 | — | 13.7 ± 0.2 | |
Densità totale dell'universo | — | — | 1.02 ± 0.02 |
Usando i dati migliori ottenuti in questo modo e i modelli teorici, il team del WMAP è riuscito a calcolare i tempi degli eventi più importanti dell'universo, tra i quali:
- lo spostamento verso il rosso della reionizzazione, calcolato come 17 ± 4;
- lo spostamento verso il rosso del disaccoppiamento, 1089 ± 1;
- l'età dell'universo al disaccoppiamento, Ka;
- lo spostamento verso il rosso dell'equivalenza materia/radiazione[12], .
Sono stati calcolati anche altri parametri, come:
- lo spessore della superficie di ultimo scattering, 195 ± 2 nello spostamento verso il rosso, o Ka;
- la densità barionica attuale, ;
- il rapporto barioni/fotoni,
Le misurazioni del WMAP di una precedente reionizzazione escludono la materia oscura tiepida.[11]
Sono state esaminate anche le emissioni della Via Lattea sulle frequenze operative del WMAP, evidenziando così 208 sorgenti puntiforme. È stato osservato inoltre l'effetto Sunyaev-Zel'dovich a , la cui sorgente più forte è l'ammasso della Chioma.[6]
Three-year data release
Il 17 marzo 2006 sono stati rilasciati i dati relativi al terzo anno di funzionamento del WMAP. Tra i vari dati, vi sono anche la temperatura e la polarizzazione delle misurazione della radiazione di fondo, le quali hanno ulteriormente confermato lo standard piatto del modello Lambda-CDM, e altre prove a favore del modello inflazionistico.
Tali dati mostrano che nell'universo debba essere presente della materia oscura. I risultati sono stati elaborati, sia con i soli dati del WMAP, sia in combinazione con altri dati, tra i quali i dati di altri esperimenti sulla radiazione di fondo, come l'ACBAR, il telescopio CBI, il pallone BOOMERanG, lo SDSS, il 2dF Galaxy Redshift Survey, il Supernova Legacy Survey, e altre costrizioni sulla costante di Hubble date dal telescopio spaziale Hubble.[13]
Parametero | Simbolo | Dato migliore (solo WMAP) |
---|---|---|
Costante di Hubble ( km/Mpc·s ) | ||
Contenuto barionico | 0.0229 ± 0.00073 | |
Contenuto di materia | ||
Profondità ottica alla reionizzazione[14] | 0.089 ± 0.030 | |
Indice spettrale | 0.958 ± 0.016 | |
Ampiezza fluttuazioni at 8h−1 Mpc | ||
Età dell'universo (Ga) | ||
Rapporto tensore-scalare[15] | <0.65 |
Profondità ottica alla reionizzazione dovuta alla polarizzazione delle misurazioni.[16]
< 0.30 in combinazione con i dati dello Sloan Digital Sky Survey. Nessuna indicazione di non gaussianità.[13]
Five-year data release
The five-year WMAP data were released on 28 February 2008. The data included new evidence for the cosmic neutrino background, evidence that it took over half a billion years for the first stars to reionize the universe, and new constraints on cosmic inflation.[17]
The improvement in the results came from both having an extra 2 years of measurements (the data set runs between midnight on 10 August 2001 to midnight of 9 August 2006), as well as using improved data processing techniques and a better characterization of the instrument, most notably of the beam shapes. They also make use of the 33GHz observations for estimating cosmological parameters; previously only the 41 and 61GHz channels had been used. Finally, improved masks were used to remove foregrounds.[2]
Improvements to the spectra were in the 3rd acoustic peak, and the polarization spectra.[2]
The measurements put constraints on the content of the universe at the time that the CMB was emitted; at the time 10% of the universe was made up of neutrinos, 12% of atoms, 15% of photons and 63% dark matter. The contribution of dark energy at the time was negligible.[17]
The WMAP five-year data was combined with measurements from Type Ia supernova (SNe) and Baryon acoustic oscillations (BAO).[2]
Parametro | Simbolo | Dato migliore (solo WMAP) | Dato migliore (WMAP + SNe + BAO) |
---|---|---|---|
Costante di Hubble ( km/Mpc·s ) | 0.701 ± 0.013 | ||
Contenuto barionico | 0.02273 ± 0.00062 | 0.02265 ± 0.00059 | |
Materia fredda oscura | 0.1099 ± 0.0062 | 0.1143 ± 0.0034 | |
Energia oscura | 0.742 ± 0.030 | 0.721 ± 0.015 | |
Profondità ottica alla reionizzazione | 0.087 ± 0.017 | 0.084 ± 0.016 | |
Indice spettrale | |||
Variazione dell'indice spettrale | −0.037 ± 0.028 | ||
Ampiezza fluttazioni a 8h−1 Mpc | 0.796 ± 0.036 | 0.817 ± 0.026 | |
Età dell'universo (Ga) | 13.69 ± 0.13 | 13.73 ± 0.12 | |
Densità totale dell'universo | 1.0052 ± 0.0064 | ||
Rapporto tensore-scalare | <0.20 | — |
The data puts a limits on the value of the tensor-to-scalar ratio, r < 0.20 (95% certainty), which determines the level at which gravitational waves affect the polarization of the CMB, and also puts limits on the amount of primordial non-gaussianity. Improved constraints were put on the redshift of reionization, which is 10.8 ± 1.4, the redshift of decoupling, (as well as age of universe at decoupling, years) and the redshift of matter/radiation equality, .[2]
The extragalactic source catalogue was expanded to include 390 sources, and variability was detected in the emission from Mars and Saturn.[2]
23 GHz | 33 GHz | 41 GHz | 61 GHz | 94 GHz |
Future measurements
The original timeline for WMAP gave it two years of observations; these were completed by September 2003. Mission extensions were granted in both 2002 and 2004, giving the spacecraft a total of 8 observing years (the originally proposed duration), which end in September 2009.[7]
WMAP's results will be built upon by several other instruments that are currently under construction. These will either be focusing on higher sensitivity total intensity measurements or measuring the polarization more accurately in the search of B-mode polarization indicative of primordial gravitational waves.
The next space-based instrument will be the Planck satellite, which is currently being built and will launch in early 2009. This instrument aims to measure the CMB more accurately than WMAP at all angular scales, both in total intensity and polarization. Various ground- and balloon-based instruments are being constructed to look for B-mode polarization, including Clover and EBEX.
Altri progetti
- Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su Vale maio/Sandbox2
Note
- ^ a b c New image of infant universe reveals era of first stars, age of cosmos, and more, su gsfc.nasa.gov, 11 febbraio 2003. URL consultato il 27-02-2009.
- ^ a b c d e f g h Hinshaw et al. (2008)
- ^ Seife (2003)
- ^ "Super Hot" Papers in Science, su in-cites.com, in-cites, ottobre 2005. URL consultato il 15-02-2009.
- ^ a b c d e f g h i j k l m n o Bennett et al. (2003a)
- ^ a b Bennett et al. (2003b)
- ^ a b c d e news sul WMAP: fatti, su map.gsfc.nasa.gov, NASA, 22 aprile 2008. URL consultato il 28 febbraio 2008.
- ^ a b WMAP News: Events, su map.gsfc.nasa.gov, NASA, 17 aprile 2008. URL consultato il 19 febbraio 2009.
- ^ a b Limon et al. (2008)
- ^ Questo avviene mantenendo la sonda ad un'angolatura costante di 22 gradi rispetto al Sole
- ^ a b c Spergel et al. (2003)
- ^ dall'inglese redshift of matter/radiation equality
- ^ a b c Spergel et al. (2007)
- ^ Profondità ottica alla reionizzazione dovuta alla polarizzazione delle misurazioni. Hinshaw et al (2007)
- ^ < 0.30 in combinazione con i dati dello Sloan Digital Sky Survey. Nessuna indicazione di non gaussianità.2007Spergel
- ^ Hinshaw et al. (2007)
- ^ a b WMAP Press Release — WMAP reveals neutrinos, end of dark ages, first second of universe, su map.gsfc.nasa.gov, NASA / WMAP team, 7 March 2008. URL consultato il 27 aprile 2008.
Pagine con contenuto tecnico
- Charles L. Bennett, et al., The Microwave Anisotropy Probe (MAP) Mission, in Astrophysical Journal, vol. 583, 2003a, pp. 1-23, DOI:10.1086/345346. URL consultato il 27 febbraio 2009.
- Charles L. Bennett, et al., First-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Foreground Emission, in Astrophysical Journal Supplement, vol. 148, 2003b, pp. 97-117, DOI:10.1086/377252.
- G. Hinshaw, et al., Three-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP1) Observations: Temperature Analysis, in Astrophysical Journal Supplement, vol. 170, 2007, pp. 288–334, DOI:10.1086/513698.
- G. Hinshaw, et al., Five-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Data Processing, Sky Maps, and Basic Results (PDF), in Astrophysical Journal Supplement (submitted), 2008.
- M. Limon, et al., Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP): Five–Year Explanatory Supplement (PDF), su lambda.gsfc.nasa.gov, 20 March 2008. Formato sconosciuto: PDF (aiuto)
- Charles Seife, Breakthrough of the Year: Illuminating the Dark Universe, in Science, vol. 302, 2003, pp. 2038–2039, DOI:10.1126/science.302.5653.2038.
- D. N. Spergel, et al., First-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Determination of Cosmological Parameters, in Astrophysical Journal Supplement, vol. 148, 2003, pp. 175–194, DOI:10.1086/377226.
- D. N. Sergel, et al., Three-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Implications for Cosmology, in Astrophysical Journal Supplement, vol. 170, 2007, pp. 377–408, DOI:10.1086/513700.
- E. Komatsu et al.: WMAP Cosmological Interpretation 2008
- Charles Seife, With Its Ingredients MAPped, Universe's Recipe Beckons, in Science, vol. 300, n. 5620, 2003, pp. 730–731, DOI:10.1126/science.300.5620.730.
Collegamenti esterni
- (EN) Sito ufficiale della missione
- (IT) Articolo sul quotidiano svizzero Corriere del Ticino
- (EN) Comunicato stampa della NASA, 11 febbraio 2003
- (EN) Parametri cosmologici, team WMAP
- (EN) Sizing up the universe, articolo su nature.com
- (EN) NASA 16 marzo 2006, comunicato stampa NASA sull'inflazione calcolata dal WMAP
Categoria:Esperimenti radiazione cosmica di fondo Categoria:Satelliti artificiali NASA Categoria:Microonde Categoria:Programma Explorer