Интерферометр с угловой шкалой
| Часть | Южнополярная станция Амундсен-Скотт  |
|---|---|
| Местоположение(а) | Южный полюс , район действия Договора об Антарктике |
| Координаты | 89 ° 59'29 "ю.ш., 44 ° 30'00" з.д. / 89,9914 ° ю.ш., 44,5 ° з.д. |
| Организация | Центр астрофизических исследований в Антарктиде Национальный научный фонд Чикагский университет |
| Высота | 2800 м (9200 футов) |
| Длина волны | 0,83 см (36 ГГц)–1,2 см (25 ГГц) |
| Построен | 1999–2000 |
| Стиль телескопа | эксперимент с космическим микроволновым фоном радиоинтерферометр |
| Количество телескопов | 13 |
| Диаметр | 20 см (7,9 дюйма) |
| Веб-сайт | астро |
  Расположение интерферометра с градусно-угловой шкалой | |
Интерферометр градусно -угловой шкалы ( DASI ) — телескоп, установленный на Национального научного фонда США Южнополярной станции Амундсена-Скотта в Антарктиде . Это был 13-элементный интерферометр, работавший в диапазоне частот от 26 до 36 ГГц ( диапазон Ка ) в десяти диапазонах. По конструкции прибор аналогичен устройству визуализации космического фона (CBI) и очень маленькой решетке (VSA). В 2001 году команда DASI объявила о наиболее подробных измерениях температуры или спектра мощности космического микроволнового фона (CMB). Эти результаты содержали первое обнаружение 2-го и 3-го акустических пиков реликтового излучения, которые стали важным доказательством теории инфляции . Это объявление было сделано в связи с экспериментом BOOMERanG и MAXIMA . [1] В 2002 году группа сообщила о первом обнаружении поляризации анизотропии в реликтовом излучении. [2]
В 2005 году свободное крепление DASI использовалось для эксперимента QUAD , который представлял собой еще один сканер CMB, ориентированный на спектр E-режима. [3] В 2010 году крепление DASI снова было перепрофилировано под Keck Array . [4] который также измеряет анизотропию поляризации реликтового излучения.
Введение
[ редактировать ]Реликтовое излучение было создано, когда Вселенной было около 380 000 лет. [5] когда непрозрачный плазменный туман, существовавший после Большого взрыва, начал рекомбинироваться в атомы водорода и позволял фотонам свободно путешествовать в пространстве. С тех пор это излучение подверглось красному смещению в результате расширения Вселенной , и его можно слабо увидеть в микроволновой части электромагнитного спектра . В 1992 году было замечено, что существует очень небольшая анизотропия эффективной температуры реликтового излучения. [6] и телескоп DASI был оборудован для точного измерения этой температурной анизотропии, а затем для обнаружения поляризации; первым, кто рассмотрел поляризацию реликтового излучения. Теория ΛCDM (темная энергия и холодная темная материя), считающаяся стандартной моделью космологии, предсказала поляризацию реликтового излучения из-за эффектов рассеяния первых атомов во Вселенной. Руководитель проекта Джон Карлстром заявил, что, если бы поляризация не была обнаружена, астрофизикам пришлось бы отвергнуть все свои интерпретации последних данных. [7]
Строительство
[ редактировать ]Расположение
[ редактировать ]Телескоп DASI был установлен в течение южнополярного лета 1999–2000 годов на внутренней из двух башен обсерватории Мартина А. Померанца на Южнополярной станции Амундсена-Скотта в 0,7 км от географического южного полюса . [8] Южная полярная площадка является исключительным местом для телескопов такого типа из-за чрезвычайно благоприятных атмосферных условий. Большая высота и чрезвычайная сухость воздуха означают, что воздух тоньше и содержит гораздо меньше водяного пара, чем в других климатических условиях, что важно, поскольку вода является хорошим поглотителем микроволнового излучения и блокирует часть сигнала реликтового излучения. Кроме того, солнце видно только шесть месяцев в году, что исключает необходимость защищать от него телескоп в это время. [9]
Другие телескопы, которые были или находятся на станции, включают Viper , Python и телескоп Южного полюса . [10] см. В статье о Южнополярной станции Амундсен-Скотт Список астрофизических экспериментов, проводимых на этом месте, .
Дизайн
[ редактировать ]DASI представлял собой компактный интерферометр, состоящий из 13 небольших элементов телескопа, расположенных по схеме с тремя линиями симметрии. Каждый из 13 телескопов имел гофрированный рупор с линзой диаметром 20 см (7,9 дюйма) и гофрированным кожухом для уменьшения перекрестных помех между антеннами. Каждый из телескопов имел усилитель на транзисторе с высокой подвижностью электронов (HEMT), работающий на частотах 26–36 ГГц ( диапазон Ка ), криогенно охлажденный примерно до 10 К. Шумовые температуры приемника находились в диапазоне 15–26 К в центре диапазона, и 30 К по краям. Общая температура системы достигала около 26 К. [8] [9]
Для поляризационных наблюдений в течение южного лета 2000–2001 годов телескоп был переконфигурирован с использованием ахроматических поляризаторов , что обеспечило телескопу чувствительность по всем четырем параметрам Стокса . [11]
Крепление телескопа имело высотно-азимутальную (альтазимутальную) конструкцию с уравновешенным зубчато - шестереночным приводом угла подъема, что обеспечивало большую устойчивость при отслеживании и наведении. Монтировка имела тяжелую коробчатую стальную конструкцию , которая была необходима для обеспечения устойчивости телескопа массой 35 000 фунтов (16 000 кг). [8]
Телескоп был спроектирован так, чтобы обеспечить максимально надежные результаты за счет сведения к минимуму любого фактора, который мог повлиять на получаемые изображения, например, 11-метровая (36 футов) башня, на которой располагался телескоп, была механически изолирована , чтобы предотвратить вибрацию от остальной части здания. влияющие на оборудование. [8] Телескоп находился внутри большого перевернутого купола, который служил наземным щитом для минимизации мешающего теплового излучения Земли. [9]
Чтобы избежать воздействия на человека температуры -60 °C (-76 °F) антарктической зимы, между телескопом и наземным щитом был установлен навес, который создавал герметичную кабину, позволяющую получить доступ к приборам по лестнице, не выходя из безопасного места. здание. [9]
Конструкция DASI была очень похожа на конструкцию VSA и CBI. Электронное оборудование CBI и DASI было фактически идентичным, как и рабочие частоты 26–36 ГГц. Однако CBI был разработан для меньших угловых масштабов, поэтому он имел большее разрешение на меньшей площади неба и поэтому имел антенны диаметром 0,9 м вместо рупоров DASI диаметром 20 см. [12] VSA также был похож по концепции и работал на той же частоте, но с меньшим угловым разрешением - 0,2–3 °. [13]
Финансирование
[ редактировать ]Проект финансировался офисом полярных программ Национального научного фонда (NSF) сначала через Центр астрофизических исследований в Антарктиде, а затем напрямую через офис. Его дополнительно поддержал Центр космологической физики в Чикаго. [14]
Результаты
[ редактировать ]DASI провела свои первые наблюдения в течение 97 дней в течение южной зимы 2000 года, измеряя анизотропию температуры реликтового излучения в 32 примерно соседних круглых областях неба, каждая диаметром 3,4°. Эти наблюдения были очень чувствительными, обычно со среднеквадратичной точностью 10 мкК. После еще одной серии измерений в 2001 году команда сообщила о результатах первых измерений 2-го и 3-го акустических пиков в спектре мощности реликтового излучения. [8] [15] [16] первый был открыт в ходе более ранних экспериментов MAT/TOCO , BOOMERanG и MAXIMA. [17] Обрезка данных DASI производилась с помощью строгого теста «складного ножа», при котором удалялись данные, собранные при превышении определенных параметров, например, если солнце поднималось над горизонтом более чем на 5°, или было большое смещение или чрезмерный шум в данные указывают на аппаратный сбой. Это стандартная практика, при которой некоторая точность жертвуется ради повышения надежности. [11]
В декабре 2002 года команда DASI сообщила об открытии анизотропии поляризации в реликтовом излучении. Это последовало за 2 годами и 271 днем наблюдений за двумя из предыдущих областей диаметром на полувысоте 3,4 ° . Данные за 22 дня были вырезаны. [2] [11]
Эксперимент продолжался всю южную зиму 2003 года, и новые данные подтвердили выводы предыдущих двух лет. [18]
Выводы
[ редактировать ]Открытие в 2001 году 2-го и 3-го акустических пиков реликтового излучения стало важным доказательством инфляционной теории расширения Вселенной . Согласно теории, акустические пики вызваны колебаниями материи во время Большого взрыва , которые следует измерять как одну основную частоту или тон с серией обертонов или гармоник. 1-й акустический пик представляет собой основной тон, а 2-й и 3-й пики, обнаруженные DASI, представляют 2-ю и 3-ю гармоники. Эти показания также можно использовать для измерения барионной плотности ранней Вселенной. [16] и эти измерения предоставили доказательства существования темной материи и темной энергии. [1] С тех пор это стало Стандартной моделью космологии ΛCDM.
Судя по более поздним результатам поляризации, учёные могли иметь «высокую уверенность» в наличии E-мод в реликтовом излучении, что добавило доказательств в поддержку Стандартной модели космологии ΛCDM; эти данные также полезны для понимания распределения масс ранней Вселенной. Температурная анизотропия выявила существование образований материи в ранней Вселенной, а поляризация показала, как эти образования двигались. [7] Считалось, что достижения в интерферометрической технике, достигнутые в рамках этого проекта, будут полезны для будущих проектов, стремящихся обнаружить B-моды как свидетельство существования гравитационных волн . Однако DASI не был достаточно большим, чтобы его можно было использовать в поиске B-режимов, и, выполнив то, для чего он был разработан, был выведен из эксплуатации. [18]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Гланц, Джеймс (30 апреля 2001 г.). «Слушайте внимательно: из крошечного гула произошел большой взрыв» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 4 августа 2014 г.
- ^ Jump up to: а б Лейтч, Э.М.; и др. (декабрь 2002 г.). «Измерение поляризации с помощью градусно-углового интерферометра». Природа . 420 (6917): 763–771. arXiv : astro-ph/0209476 . Бибкод : 2002Natur.420..763L . дои : 10.1038/nature01271 . ПМИД 12490940 . S2CID 13967570 .
- ^ Аде, П.; Бок, Дж.; Боуден, М.; Браун, МЛ; Кэхилл, Г.; Карлстром, Дж. Э.; Кастро, П.Г.; Черч, С.; Калверххаус, Т.; Фридман, Р.; Ганга, К.; Гир, ВК; Хинндеркс, Дж.; Ковач Дж.; Ланге, А.Е.; Лейтч, Э.; Мелхуиш, С.Дж.; Мерфи, Дж.А.; Орландо, А.; Шварц, Р.; О'Салливан, К.; Пиччирилло, Л.; Прайк, К. ; Раджгуру, Н.; Рашолм, Б.; Тейлор, АН; Томпсон, КЛ; Ву, ЭЙС; Земцов, М. (10 февраля 2008 г.). «Спектры температуры и мощности поляризации QUAD CMB первого сезона». Астрофизический журнал . 674 (1): 22–28. arXiv : 0705.2359 . Бибкод : 2008ApJ...674...22A . дои : 10.1086/524922 . S2CID 14375472 .
- ^ «Обзор массива Кека» . Гарвард.edu . НФС . Проверено 28 июля 2014 г.
- ^ Энслин, доктор Торстен. «Планк открывает почти идеальную Вселенную» . Макс-Планк-Гезельшафт . Проверено 3 июня 2013 г.
- ^ Сандерс, Р.; Кан, Дж. (13 октября 2006 г.). «Калифорнийский университет в Беркли, космолог LBNL Джордж Ф. Смут удостоен Нобелевской премии по физике 2006 года» . Новости Калифорнийского университета в Беркли . Проверено 11 декабря 2008 г.
- ^ Jump up to: а б «Дискавери подтверждает парадоксальные взгляды астрономов на Вселенную» . uchicago.edu . Пресс-служба Чикагского университета . Проверено 25 июля 2014 г.
- ^ Jump up to: а б с д и Лейтч, Э.М.; и др. (март 2002 г.). «План эксперимента и первые сезонные наблюдения с помощью градусно-углового интерферометра». Астрофизический журнал . 568 (1): 28–37. arXiv : astro-ph/0104488 . Бибкод : 2002ApJ...568...28L . дои : 10.1086/338878 . S2CID 17143708 .
- ^ Jump up to: а б с д Халверсон, Северо-Запад; и др. (31 июля 1998 г.). Филлипс, Томас Г. (ред.). «DASI: градусно-угловой интерферометр для визуализации анизотропии космического микроволнового фона» . Передовые технологии MMW, радио и терагерцовых телескопов . SPIE 3357: 416–423. Бибкод : 1998SPIE.3357..416H . CiteSeerX 10.1.1.25.856 . дои : 10.1117/12.317374 . S2CID 123610318 . Проверено 25 июля 2014 г.
- ^ «Информационная служба UANT - кампус станции Амундсен-Скотт» . antarcticaedu.com . Университет Антарктиды. Архивировано из оригинала 17 августа 2014 года . Проверено 28 июля 2014 г.
- ^ Jump up to: а б с Ковач, Дж. М.; Лейтч, Э.М.; Прайк, К. ; Карлстром, Дж. Э.; Халверсон, Северо-Запад; Хольцапфель, В.Л. (19 декабря 2002 г.). «Обнаружение поляризации космического микроволнового фона с помощью DASI». Природа . 420 (6917): 772–787. arXiv : astro-ph/0209478 . Бибкод : 2002Natur.420..772K . дои : 10.1038/nature01269 . ПМИД 12490941 . S2CID 4359884 .
- ^ «Сканер космического фона» . Caltech.edu . Калтех . Проверено 4 августа 2014 г.
- ^ «Радиоастрономическая обсерватория Малларда, Очень маленькая решетка (VSA)» . cam.ac.uk. Кембриджский университет . Проверено 4 августа 2014 г.
- ^ «Интерферометр градусно-угловой шкалы» . uchicago.edu . Чикагский университет . Архивировано из оригинала 10 декабря 2010 года . Проверено 28 июля 2014 г.
- ^ Халверсон, Северо-Запад; Лейтч, Э.М.; Прайк, К.; Ковач Дж.; Карлстром, Дж. Э.; Хольцапфель, В.Л.; Драгован, М.; Картрайт, Дж. К.; Мейсон, бакалавр наук; Падин, С.; Пирсон, Ти Джей; Ридхед, СКУД; Шепард, MC (20 марта 2002 г.). «Первые результаты интерферометра градусного углового масштаба: измерение спектра угловой мощности космического микроволнового фона». Астрофизический журнал . 568 (1): 38–45. arXiv : astro-ph/0104489 . Бибкод : 2002ApJ...568...38H . дои : 10.1086/338879 . S2CID 3061987 .
- ^ Jump up to: а б Прайк, К. ; Халверсон, Северо-Запад; Лейтч, Э.М.; Ковач Дж.; Карлстром, Дж. Э.; Хольцапфель, В.Л.; Драгован, М. (20 марта 2002 г.). «Извлечение космологических параметров из первого сезона наблюдений с помощью градусно-углового интерферометра» (PDF) . Астрофизический журнал . 568 (1): 46–51. arXiv : astro-ph/0104490 . Бибкод : 2002ApJ...568...46P . дои : 10.1086/338880 . S2CID 119496599 .
- ^ Миллер, А.; Бич, Дж.; Брэдли, С.; Колдуэлл, Р.; Чепмен, Х.; Девлин, MJ; Дорварт, ВБ; Хербиг, Т.; Джонс, Д.; Моннелли, Г.; Неттерфилд, CB; Нольта, М.; Пейдж, Луизиана; Пучалла, Дж.; Робертсон, Т.; Торбет, Э.; Тран, ХТ; Винье, МЫ (июнь 2002 г.). «Эксперименты QMAP и MAT/TOCO по измерению анизотропии космического микроволнового фона». Серия дополнений к астрофизическому журналу . 140 (2): 115–141. arXiv : astro-ph/0108030 . Бибкод : 2002ApJS..140..115M . дои : 10.1086/339686 . S2CID 18246763 .
- ^ Jump up to: а б Лейтч, Э.М.; Ковач, Дж. М.; Халверсон, Северо-Запад; Карлстром, Дж. Э.; Прайк, К. ; Смит, MWE (май 2005 г.). «Результаты фоновой поляризации космического микроволнового интерферометра за 3 года с угловой шкалой». Астрофизический журнал . 624 (1): 10–20. arXiv : astro-ph/0409357 . Бибкод : 2005ApJ...624...10L . дои : 10.1086/428825 . S2CID 122862925 .