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Articulo de referencia

Explorador del fondo cósmico

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El Explorador del Fondo Cósmico ( COBE / ˈ k oʊ b i / KOH -bee ), también conocido como Explorador 66 , fue un satélite de la NASA dedicado a la cosmología , que operó desde 1989 hasta 1993. Sus objetivos eran investigar la radiación cósmica de fondo de microondas (CMB o CMBR) del universo y proporcionar mediciones que ayudaran a dar forma a la comprensión del cosmos .

Las mediciones de COBE proporcionaron dos pruebas clave que respaldaron la teoría del Big Bang del universo: que la radiación cósmica de fondo (CMB) tiene un espectro de cuerpo negro casi perfecto y que presenta anisotropías muy débiles . Dos de los investigadores principales de COBE, George F. Smoot III y John C. Mather , recibieron el Premio Nobel de Física en 2006 por su trabajo en el proyecto. Según el comité del Premio Nobel, «el proyecto COBE también puede considerarse el punto de partida de la cosmología como ciencia de precisión». [ 4 ]

COBE fue el segundo satélite de medición del fondo cósmico de microondas, después de RELIKT-1 , y fue seguido por dos naves espaciales más avanzadas: la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP), que operó desde 2001 hasta 2010, y la nave espacial Planck, desde 2009 hasta 2013.

Misión

El objetivo de la misión Cosmic Background Explorer (COBE) era realizar mediciones precisas de la radiación difusa entre 1 micrómetro y 1 cm (0,39 pulgadas) en toda la esfera celeste. Se midieron las siguientes cantidades: (1) el espectro de la radiación de 3 K en el rango de 100 micrómetros a 1 cm (0,39 pulgadas); (2) la anisotropía de esta radiación de 3 a 10 mm (0,39 pulgadas) ; y (3) el espectro y la distribución angular de la radiación de fondo infrarroja difusa en longitudes de onda de 1 a 300 micrómetros. [ 5 ]      

Historia

En 1974, la NASA publicó una Convocatoria de Oportunidades para misiones astronómicas que utilizarían una nave espacial Explorer de tamaño pequeño o mediano . De las 121 propuestas recibidas, tres se centraban en el estudio de la radiación de fondo cosmológica. Aunque estas propuestas fueron descartadas frente al Satélite Astronómico Infrarrojo ( IRAS ), su solidez impulsó a la NASA a explorar más a fondo la idea. En 1976, la NASA formó un comité con miembros de cada uno de los tres equipos de propuestas de 1974 para recopilar sus ideas para dicho satélite. Un año después, este comité propuso un satélite de órbita polar llamado COBE, que sería lanzado mediante un vehículo de lanzamiento Delta 5920-8 o el Transbordador Espacial . Contendría los siguientes instrumentos: [ 6 ]

Lanzamiento de la nave espacial COBE el 18 de noviembre de 1989.

La NASA aceptó la propuesta con la condición de que los costos se mantuvieran por debajo de los 30 millones de dólares, excluyendo el lanzador y el análisis de datos. Debido a los sobrecostos del programa Explorer a causa del IRAS, la construcción del satélite en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard (GSFC) no comenzó hasta 1981. Para ahorrar costos, los detectores infrarrojos y el criostato de helio líquido del COBE serían similares a los utilizados en el Satélite Astronómico Infrarrojo (IRAS).

Inicialmente, se planeó lanzar el COBE en la misión STS-82-B del transbordador espacial en 1988 desde la base aérea de Vandenberg , pero la explosión del Challenger retrasó este plan cuando los transbordadores quedaron en tierra. La NASA impidió que los ingenieros del COBE acudieran a otras compañías espaciales para lanzarlo, y finalmente, una versión rediseñada del COBE fue colocada en órbita heliosíncrona el 18 de noviembre de 1989 a bordo de un cohete Delta.

El 23 de abril de 1992, los científicos del COBE anunciaron en la Reunión de Abril de la APS en Washington, D.C., el hallazgo de las "semillas primordiales" (anisotropía CMBE) en los datos del instrumento DMR; hasta entonces, los otros instrumentos "no habían podido ver el patrón". [ 7 ] Al día siguiente, The New York Times publicó la noticia en primera plana, explicando el hallazgo como "la primera evidencia que revela cómo un cosmos inicialmente liso evolucionó hasta convertirse en el panorama actual de estrellas, galaxias y gigantescos cúmulos de galaxias". [ 8 ]

El Premio Nobel de Física de 2006 fue otorgado conjuntamente a John C. Mather, del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA , y a George F. Smoot III, de la Universidad de California, Berkeley , "por su descubrimiento de la forma de cuerpo negro y la anisotropía de la radiación cósmica de fondo de microondas". [ 4 ]

Astronave

Diagrama de la nave espacial COBE

COBE era un satélite de la clase Explorer, con tecnología en gran medida derivada de IRAS, pero con algunas características únicas.

La necesidad de controlar y medir todas las fuentes de errores sistemáticos requirió un diseño riguroso e integrado. COBE debía operar durante un mínimo de 6 meses y limitar la cantidad de interferencia radioeléctrica proveniente de la Tierra, COBE y otros satélites, así como la interferencia radiactiva de la Tierra , el Sol y la Luna . [ 9 ] Los instrumentos requerían estabilidad de temperatura y para mantener la ganancia, y un alto nivel de limpieza para reducir la entrada de luz parásita y la emisión térmica de partículas.

La necesidad de controlar el error sistemático en la medición de la anisotropía del CMB y de medir la nube zodiacal en diferentes ángulos de elongación para el modelado posterior requirió que el satélite girara a una velocidad de 0,8 rpm . [ 9 ] El eje de giro también está inclinado hacia atrás con respecto al vector de velocidad orbital como precaución contra posibles depósitos de gas atmosférico residual en la óptica, así como contra el brillo infrarrojo que resultaría de partículas neutras rápidas que impactan sus superficies a velocidades extremadamente altas.

Para satisfacer las exigencias duales de rotación lenta y control de actitud en tres ejes, se empleó un sofisticado par de ruedas de momento angular de guiñada con su eje orientado a lo largo del eje de giro. [ 9 ] Estas ruedas se utilizaron para transportar un momento angular opuesto al de toda la nave espacial con el fin de crear un sistema de momento angular neto cero.

La órbita se determinaría en función de las especificidades de la misión de la nave espacial. Las consideraciones primordiales fueron la necesidad de una cobertura completa del cielo, la necesidad de eliminar la radiación dispersa de los instrumentos y la necesidad de mantener la estabilidad térmica del dewar y los instrumentos. [ 9 ] Una órbita circular sincrónica con el Sol satisfizo todos estos requisitos. Se eligió una órbita de 900 km (560 mi) de altitud con una inclinación de 99° ya que se ajustaba a las capacidades de un transbordador espacial (con propulsión auxiliar en COBE) o un vehículo de lanzamiento Delta. Esta altitud representó un buen compromiso entre la radiación terrestre y las partículas cargadas en los cinturones de radiación terrestres a altitudes más elevadas. Se eligió un nodo ascendente a las 18:00 para permitir que COBE siguiera el límite entre la luz solar y la oscuridad en la Tierra durante todo el año.  

La órbita, combinada con el eje de rotación, permitió mantener la Tierra y el Sol continuamente por debajo del plano del escudo, posibilitando un escaneo completo del cielo cada seis meses.

Las dos últimas partes importantes de la misión COBE fueron el criostato Dewar y el escudo Sol-Tierra. El Dewar era un criostato de helio superfluido de 650 L (140 galones imperiales ; 170 galones estadounidenses ) diseñado para mantener refrigerados los instrumentos FIRAS y DIRBE durante la misión. Su diseño era similar al del criostato IRAS y permitía la liberación de helio a lo largo del eje de rotación cerca de los conjuntos de comunicaciones. El escudo Sol-Tierra cónico protegía los instrumentos de la radiación solar directa y terrestre, así como de las interferencias de radio procedentes de la Tierra y de la antena transmisora ​​del COBE. Sus mantas aislantes multicapa proporcionaban aislamiento térmico al Dewar. [ 9 ]     

En enero de 1994, concluyeron las operaciones de ingeniería y la operación de la nave espacial se transfirió a Wallops Flight Facility (WFF) para su uso como satélite de prueba. [ 5 ]

Instrumentos

Radiómetros diferenciales de microondas (DMR)

La investigación del Radiómetro Diferencial de Microondas (DMR) utiliza tres radiómetros diferenciales para mapear el cielo a 31,4, 53 y 90 GHz . Los radiómetros están distribuidos alrededor de la superficie exterior del criostato. Cada radiómetro emplea un par de antenas de bocina que observan a 30° del eje de rotación de la nave espacial, midiendo la diferencia de temperatura entre puntos del cielo separados por 60°. En cada frecuencia, hay dos canales para mediciones de doble polarización para mejorar la sensibilidad y la fiabilidad. Cada radiómetro es un receptor de microondas cuya entrada se conmuta rápidamente entre las dos antenas de bocina, obteniendo la diferencia de brillo de dos campos de visión de 7° de diámetro ubicados a 60° de distancia y a 30° del eje de la nave espacial. La alta sensibilidad se logra mediante la estabilización de la temperatura (a 300 K para 31,4 GHz y a 140 K para 53 y 90 GHz), mediante la rotación de la nave espacial y mediante la capacidad de integrar durante todo el año. La sensibilidad a las anisotropías a gran escala es de aproximadamente 3E-5 K. El instrumento pesa 120 kg (260 lb) , utiliza 114 vatios y tiene una velocidad de datos de 500 bit/s . [ 10 ]  

Experimento de fondo infrarrojo difuso (DIRBE)

El Experimento de Fondo Infrarrojo Difuso (DIRBE) consiste en un radiómetro multibanda enfriado criogénicamente (a 2 K) que se utiliza para investigar la radiación infrarroja difusa de 1 a 300 micrómetros. El instrumento mide el flujo absoluto en 10 bandas de longitud de onda con un campo de visión de 1° apuntando 30° fuera del eje de rotación. Los detectores ( fotoconductores ) y los filtros para los canales de 8 a 100 micrómetros son los mismos que para la misión IRAS . Se utilizan bolómetros para el canal de longitud de onda más larga (120 a 300 micrómetros). El telescopio es un colector de flujo gregoriano fuera del eje, bien protegido con deflectores, con reimagen. El instrumento pesa aproximadamente 34 kg (75 lb) , consume 100 W y tiene una velocidad de datos de 1700 bit/s. [ 11 ]  

Espectrofotómetro absoluto de infrarrojo lejano (FIRAS)

El espectrofotómetro absoluto de infrarrojo lejano (FIRAS) es un interferómetro de Michelson polarizador criogénicamente refrigerado que funciona como espectrómetro de transformada de Fourier . El instrumento apunta a lo largo del eje de rotación y tiene un campo de visión de 7°. Este dispositivo mide el espectro con una precisión de 1/1000 del flujo máximo a 1,7 mm (0,067 pulg.) para cada campo de visión de 7° en el cielo (en el rango de 0,1 a 10 mm (0,39 pulg .) ). El FIRAS utiliza un colector de flujo especial con forma de trompeta acampanada que presenta niveles de lóbulos laterales muy bajos y un calibrador externo que cubre todo el haz; se requiere una regulación y calibración precisas de la temperatura. El instrumento cuenta con una entrada diferencial para comparar el cielo con una referencia interna a 3 K. Esta característica proporciona inmunidad a los errores sistemáticos del espectrómetro y contribuye significativamente a la capacidad de detectar pequeñas desviaciones de un espectro de cuerpo negro. El instrumento pesa 60 kg (130 lb) , utiliza 84 vatios y tiene una velocidad de datos de 1200 bit/s. [ 12 ]      

Hallazgos científicos

Mapa de la anisotropía del fondo cósmico de microondas (CMB, por sus siglas en inglés) formado a partir de datos recopilados por la nave espacial COBE.

La misión científica fue llevada a cabo por los tres instrumentos detallados anteriormente: DIRBE, FIRAS y DMR. Los instrumentos se superponían en su cobertura de longitud de onda, lo que proporcionaba una verificación de consistencia en las mediciones en las regiones de superposición espectral y ayudaba a discriminar las señales de nuestra galaxia, el Sistema Solar y el CMB. [ 9 ]

Los instrumentos de COBE cumplirían cada uno de sus objetivos, además de realizar observaciones que tendrían implicaciones fuera del alcance inicial de COBE.

Curva de cuerpo negro de la radiación cósmica de fondo (CMB).

Los datos de COBE mostraron una concordancia perfecta entre la curva de cuerpo negro predicha por la teoría del Big Bang y la observada en el fondo cósmico de microondas. Las barras de error son menores que el ancho de la curva azul. Las cruces rojas simplemente indican la ubicación de los puntos de datos.
Comparación de los resultados de CMB de COBE, WMAP y Planck - 21 de marzo de 2013.

Durante el período de 15 años transcurrido entre la propuesta y el lanzamiento de COBE, se produjeron dos importantes acontecimientos astronómicos:

  • En 1981, dos equipos de astrónomos, uno liderado por David Wilkinson de la Universidad de Princeton y el otro por Francesco Melchiorri de la Universidad de Florencia , anunciaron simultáneamente la detección de una distribución cuadrupolar del CMB mediante instrumentos a bordo de globos. Este hallazgo habría representado la detección de la distribución de cuerpo negro del CMB que FIRAS, a bordo del satélite COBE, debía medir. En concreto, el grupo de Florencia afirmó haber detectado anisotropías de escala angular intermedia del orden de 100 microkelvins [ 13 ], en concordancia con mediciones posteriores realizadas por el experimento BOOMERanG . Sin embargo, otros experimentos intentaron replicar sus resultados, pero no lo consiguieron. [ 6 ]
  • En segundo lugar, en 1987 un equipo japonés-estadounidense liderado por Andrew E. Lange y Paul Richards de la Universidad de California, Berkeley y Toshio Matsumoto de la Universidad de Nagoya anunció que la CMB no era la de un verdadero cuerpo negro. [ 14 ] En un experimento con cohete sonda , detectaron un brillo excesivo en longitudes de onda de 0,5 y 0,7 mm (0,028 pulgadas) .  

Con estos avances como telón de fondo de la misión COBE, los científicos esperaban con impaciencia los resultados de FIRAS. Los resultados de FIRAS fueron sorprendentes, ya que mostraron una concordancia perfecta entre la radiación cósmica de fondo y la curva teórica para un cuerpo negro a una temperatura de 2,7 K, en contraste con los resultados de Berkeley-Nagoya.

Las mediciones de FIRAS se realizaron midiendo la diferencia espectral entre una porción de cielo de 7° y un cuerpo negro interno. El interferómetro de FIRAS cubrió entre 2 y 95 cm⁻¹  en dos bandas separadas por 20 cm⁻¹ . Hay dos longitudes de barrido (corta y larga) y dos velocidades de barrido (rápida y lenta) , para un total de cuatro modos de barrido diferentes. Los datos se recopilaron durante un período de diez meses. [ 15 ] 

Anisotropía intrínseca del CMB

Datos obtenidos en cada una de las tres frecuencias DMR — 31,5, 53 y 90 GHz — tras la sustracción del dipolo.

El DMR pudo dedicar cuatro años a mapear la anisotropía detectable de la radiación cósmica de fondo, ya que era el único instrumento que no dependía del suministro de helio del criostato para su refrigeración. Esta operación permitió crear mapas completos del CMB (radiación cósmica de fondo) al restar las emisiones galácticas y el dipolo en diversas frecuencias. Las fluctuaciones de la radiación cósmica de fondo son extremadamente débiles, apenas una parte en 100 000 en comparación con la temperatura media de 2,73 K del campo de radiación. La radiación cósmica de fondo es un remanente del Big Bang y sus fluctuaciones son la huella del contraste de densidad en el universo primitivo. Se cree que estas ondulaciones de densidad produjeron la formación de estructuras observadas en el universo actual: cúmulos de galaxias y vastas regiones desprovistas de galaxias. [ 16 ]

Detección de galaxias primitivas

DIRBE también detectó 10 nuevas galaxias emisoras de infrarrojo lejano en la región no estudiada por IRAS, así como otros nueve candidatos en el infrarrojo lejano débil que podrían ser galaxias espirales . Las galaxias detectadas a 140 y 240 μm también pudieron proporcionar información sobre polvo muy frío (VCD). A estas longitudes de onda, se puede derivar la masa y la temperatura del VCD. Cuando estos datos se combinaron con los datos de 60 y 100 μm tomados de IRAS, se encontró que la luminosidad del infrarrojo lejano proviene de polvo frío (≈17–22 K) asociado con nubes cirros de la región HI difusa, 15-30% de polvo frío (≈19 K) asociado con gas molecular, y menos del 10% de polvo caliente (≈29 K) en las regiones H II extendidas de baja densidad . [ 17 ]

DIRBE

Modelo del disco galáctico visto de canto desde la posición de la Tierra.

Además de los hallazgos de DIRBE sobre galaxias, también realizó otras dos contribuciones significativas a la ciencia. [ 17 ] El instrumento DIRBE pudo realizar estudios sobre polvo interplanetario (IPD) y determinar si su origen era de partículas de asteroides o cometas. Los datos de DIRBE recopilados a 12, 25, 50 y 100 μm permitieron concluir que los granos de origen asteroide pueblan las bandas de IPD y la nube de IPD uniforme. [ 18 ]

La segunda contribución de DIRBE fue un modelo del disco galáctico visto de canto desde nuestra posición. Según el modelo, si el Sol está a 8,6 kpc del centro galáctico , entonces se encuentra un 15,6 % por encima del plano medio del disco, que tiene longitudes de escala radial y vertical de 2,64 y 0,333 kpc, respectivamente, y está deformado de forma consistente con la capa HI. Tampoco hay indicios de un disco grueso. [ 19 ]

Para crear este modelo, fue necesario restar la IPD de los datos DIRBE. Se descubrió que esta nube, que vista desde la Tierra es luz zodiacal , no estaba centrada en el Sol, como se creía anteriormente, sino en un punto del espacio a varios millones de kilómetros de distancia. Esto se debe a la influencia gravitatoria de Saturno y Júpiter . [ 6 ]

Implicaciones cosmológicas

Además de los resultados científicos detallados en la última sección, existen numerosas preguntas cosmológicas que quedan sin respuesta a raíz de los resultados de COBE. Una medición directa de la luz de fondo extragaláctica (EBL) también puede proporcionar importantes restricciones sobre la historia cosmológica integrada de la formación estelar, la producción de metales y polvo, y la conversión de la luz estelar en emisiones infrarrojas por el polvo. [ 20 ]

Al observar los resultados de DIRBE y FIRAS en el rango de 140 a 5000 μm, podemos detectar que la intensidad integrada de la radiación extragaláctica de fondo (EBL) es de aproximadamente 16 nW /(m² · sr). Esto es consistente con la energía liberada durante la nucleosíntesis y constituye entre el 20 % y el 50 % de la energía total liberada en la formación de helio y metales a lo largo de la historia del universo. Atribuida únicamente a fuentes nucleares, esta intensidad implica que más del 5 % al 15 % de la densidad de masa bariónica implícita en el análisis de la nucleosíntesis del Big Bang se ha procesado en las estrellas para formar helio y elementos más pesados. [ 20 ]

También hubo implicaciones significativas en la formación estelar . Las observaciones de COBE proporcionan restricciones importantes sobre la tasa de formación estelar cósmica y nos ayudan a calcular el espectro EBL para varias historias de formación estelar. Las observaciones realizadas por COBE requieren que la tasa de formación estelar en corrimientos al rojo de z ≈ 1,5 sea mayor que la inferida a partir de observaciones UV-ópticas por un factor de 2. Este exceso de energía estelar debe ser generado principalmente por estrellas masivas en galaxias aún no detectadas envueltas en polvo o regiones de formación estelar extremadamente polvorientas en galaxias observadas. [ 20 ] La historia exacta de formación estelar no puede ser resuelta inequívocamente por COBE y deben realizarse más observaciones en el futuro.

El 30 de junio de 2001, la NASA lanzó una misión de seguimiento a COBE liderada por el investigador principal adjunto del DMR, Charles L. Bennett . La sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe ( WMAP) ha aclarado y ampliado los logros de COBE. Tras WMAP, la sonda de la Agencia Espacial Europea, Planck ha seguido aumentando la resolución con la que se ha cartografiado el fondo. [ 21 ] [ 22 ]

El satélite Cosmic Background Explorer apareció dos veces en el episodio de la primera temporada de Young Sheldon titulado " Gluones, guacamole y el color púrpura ", donde un joven Sheldon Lee Cooper sueña despierto con ayudar a la NASA a salvar el satélite de estrellarse contra la Tierra. [ 23 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ "Diseño de la misión COBE, nave espacial y órbita" . NASA / Centro de Vuelo Espacial Goddard . 18 de abril de 2008. Archivado del original el 20 de marzo de 2022. Consultado el 21 de julio de 2015 .Dominio públicoEste artículo incorpora texto de esta fuente, que es de dominio público .
  2. ↑ Crouse, Megan (16 de julio de 2015). "Nave espacial de la semana: Explorador del fondo cósmico" . Diseño y desarrollo de productos. Archivado del original el 11 de marzo de 2016. Recuperado el 21 de julio de 2015 .
  3. ↑ "Trayectoria: COBE (1989-089A)" . NASA . 28 de octubre de 2021. Archivado del original el 10 de marzo de 2025. Consultado el 27 de noviembre de 2021 .Dominio públicoEste artículo incorpora texto de esta fuente, que es de dominio público .
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  5. 1 2 "Pantalla: COBE (1989-089A)" . NASA . 28 de octubre de 2021. Archivado del original el 27 de julio de 2021. Recuperado el 27 de noviembre de 2021 .Dominio públicoEste artículo incorpora texto de esta fuente, que es de dominio público .
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  7. ↑ Schewe, Phillip F.; Stein, Ben (24 de abril de 1992). "COBE finalmente encuentra semillas primordiales" . The AIP Bulletin of Physics News . Vol. 77. American Institute of Physics . Archivado del original el 23 de octubre de 2006. Recuperado el 23 de julio de 2023 . 
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Fuentes

  • Arny, Thomas T. (2002). Exploraciones: Una introducción a la astronomía (3.ª  ed.). Dubuque, Iowa: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-241593-3.
  • Liddle, Andrew R.; Lyth, David H. (marzo de 1993) [agosto de 1992]. "La perturbación de la densidad de la materia oscura fría". Physics Reports . 231 ( 1–2 ). Elsevier (publicado en agosto de 1993): 1–105 . arXiv : astro-ph/9303019 . Bibcode : 1993PhR...231....1L . doi : 10.1016/0370-1573(93)90114-S . S2CID 119084975 . 
  • Odenwald, Sten; Newmark, Jeffrey; Smoot, George (6 de octubre de 1995). "Un estudio de galaxias externas detectadas por el experimento COBE de fondo infrarrojo difuso" . The Astrophysical Journal . 500 (2). Sociedad Astronómica Americana (publicado el 20 de junio de 1998): 554– 568. arXiv : astro-ph/9610238 . Bibcode : 1998ApJ...500..554O . doi : 10.1086/305737 . ISSN 0004-637X . S2CID 18799050 .  

Lecturas adicionales

  • Sitio web de la NASA sobre COBE
  • Vídeo informativo de la NASA previo al lanzamiento de COBE
  • Perfil de la misión COBE del programa de exploración del sistema solar de la NASA.
  • Imagen APOD del dipolo COBE , que muestra el movimiento de 600  km/s de la Tierra en relación con la radiación cósmica de fondo.
  • Artículo de Scholarpedia sobre el Explorador del Fondo Cósmico