Planck (nave espacial)

Planck fue un observatorio espacial operado por la Agencia Espacial Europea (ESA) entre 2009 y 2013. El proyecto tenía como objetivo mapear las anisotropías del fondo cósmico de microondas (CMB) en frecuencias de microondas e infrarrojo, con alta sensibilidad y resolución angular. La misión proporcionó datos que mejoraron sustancialmente las observaciones previas realizadas por la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP) de la NASA.

El observatorio Planck fue una importante fuente de información relevante para diversas cuestiones cosmológicas y astrofísicas. Uno de sus objetivos clave era poner a prueba las teorías cosmológicas sobre el universo primitivo, su composición y evolución, y el origen de la estructura cósmica.

El satélite Planck se llamó inicialmente COBRAS/SAMBA, acrónimo de Cosmic Background Radiation Anisotropy Satellite/Satellite for Measurement of Background Anisotropies (Satélite de Anisotropía de la Radiación de Fondo Cósmica/Satélite para la Medición de Anisotropías de Fondo). El proyecto comenzó en 1996 y posteriormente fue renombrado en honor al físico alemán Max Planck (1858-1947), ampliamente considerado como el creador de la teoría cuántica por derivar la fórmula para la radiación de cuerpo negro .

Construido en el Centro Espacial Mandelieu de Cannes por Thales Alenia Space , Planck fue concebido como una misión de tamaño mediano para el programa científico a largo plazo Horizonte 2000 de la ESA . El observatorio fue lanzado en mayo de 2009 y alcanzó el punto L2 Tierra/Sol en julio de 2009. En febrero de 2010, inició con éxito un segundo estudio del cielo completo.

El 21 de marzo de 2013, el equipo de Planck publicó su primer mapa completo del fondo cósmico de microondas. Este mapa permitió a los investigadores medir las variaciones de temperatura en el CMB con la mayor precisión disponible hasta entonces. En febrero de 2015, se publicó una versión ampliada que incluía datos de polarización . Los artículos finales del equipo de Planck se publicaron en julio de 2018, marcando el final de la misión.

Al finalizar su misión, Planck fue colocada en una órbita heliocéntrica de desecho y desactivada para evitar que pusiera en peligro futuras misiones. La orden final de desactivación se envió a Planck en octubre de 2013.

La misión proporcionó las mediciones más precisas de varios parámetros cosmológicos clave. Las observaciones de Planck ayudaron a determinar la edad del universo, la densidad promedio de la materia ordinaria y la materia oscura en el universo, y otras características importantes del cosmos.

La misión tenía una amplia variedad de objetivos científicos, entre ellos: ^{[ 2 ]}

• detecciones de alta resolución tanto de la intensidad total como de la polarización de las anisotropías primordiales del CMB ,
• creación de un catálogo de cúmulos de galaxias a través del efecto Sunyaev-Zel'dovich ,
• observaciones de la lente gravitacional del CMB, así como el efecto Sachs-Wolfe integrado ,
• observaciones de fuentes de radio extragalácticas brillantes ( núcleos galácticos activos ) e infrarrojas (galaxias polvorientas),
• observaciones de la Vía Láctea , incluyendo el medio interestelar , la emisión sincrotrónica distribuida y las mediciones del campo magnético galáctico , y
• estudios del Sistema Solar , incluyendo planetas , asteroides , cometas y la luz zodiacal .

Planck tenía mayor resolución y sensibilidad que WMAP, lo que le permitió analizar el espectro de potencia del CMB a escalas mucho menores (×3). Además, observó en nueve bandas de frecuencia en lugar de las cinco de WMAP, con el objetivo de mejorar los modelos astrofísicos del primer plano.

Se prevé que la mayoría de las mediciones de Planck se hayan visto limitadas por la capacidad de sustraer las interferencias del fondo, más que por el rendimiento del detector o la duración de la misión, un factor particularmente importante para las mediciones de polarización . La radiación dominante en primer plano depende de la frecuencia, pero podría incluir radiación sincrotrón de la Vía Láctea a bajas frecuencias y polvo a altas frecuencias.

La nave espacial transporta dos instrumentos: el Instrumento de Baja Frecuencia (LFI) y el Instrumento de Alta Frecuencia (HFI). ^{[ 2 ]} Ambos instrumentos pueden detectar tanto la intensidad total como la polarización de los fotones, y juntos cubren un rango de frecuencia de casi 830  GHz (de 30 a 857  GHz). El espectro del fondo cósmico de microondas alcanza su máximo en una frecuencia de 160,2  GHz.

Los sistemas de refrigeración pasiva y activa de Planck permiten que sus instrumentos mantengan una temperatura de −273,05 °C (−459,49 °F) , o 0,1 °C por encima del cero absoluto . ^{[ 3 ]} Desde agosto de 2009, Planck fue el objeto más frío conocido en el espacio, hasta que su suministro de refrigerante activo se agotó en enero de 2012. ^{[ 4 ]}   

La NASA desempeñó un papel en el desarrollo de esta misión y contribuye al análisis de los datos científicos. Su Laboratorio de Propulsión a Chorro construyó componentes de los instrumentos científicos, incluidos bolómetros para el instrumento de alta frecuencia, un criorefrigerador de 20 kelvin para los instrumentos de baja y alta frecuencia, y tecnología de amplificación para el instrumento de baja frecuencia. ^{[ 5 ]}

Instrumento de alta frecuencia

El HFI era sensible entre 100 y 857  GHz, utilizando 52 detectores bolométricos , fabricados por JPL/Caltech, ^{[ 6 ]} acoplados ópticamente al telescopio a través de óptica fría, fabricada por la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de Cardiff, ^{[ 7 ]} consistente en una configuración de triple bocina y filtros ópticos, un concepto similar al utilizado en el experimento Archeops a bordo de un globo. Estos conjuntos de detección están divididos en 6 bandas de frecuencia (centradas en 100, 143, 217, 353, 545 y 857  GHz), cada una con un ancho de banda del 33%. De estas seis bandas, solo las cuatro inferiores tienen la capacidad de medir la polarización de la radiación incidente; las dos bandas superiores no. ^{[ 2 ]}

El 13 de enero de 2012, se informó que el suministro a bordo de helio-3 utilizado en el refrigerador de dilución de Planck se había agotado y que el HFI quedaría inutilizable en pocos días. ^{[ 8 ]} Para esa fecha, Planck había completado cinco escaneos completos del CMB, superando su objetivo de dos. Se esperaba que el LFI (enfriado con helio-4 ) permaneciera operativo durante otros seis a nueve meses. ^{[ 8 ]}

Thales Alenia Space diseñó y construyó un módulo de servicio común (SVM) en su planta de Turín , para las misiones del Observatorio Espacial Herschel y Planck , combinadas en un único programa. ^{[ 2 ]}

El coste total se estima en 700 millones de euros para la misión Planck ^{[ 9 ]} y 1100 millones de euros para la misión Herschel . ^{[ 10 ]} Ambas cifras incluyen la nave espacial y la carga útil de su misión, los gastos de lanzamiento y misión (compartidos) y las operaciones científicas.

Estructuralmente, los módulos SVM de Herschel y Planck son muy similares. Ambos son octogonales y cada panel está dedicado a albergar un conjunto específico de unidades térmicas, teniendo en cuenta los requisitos de disipación de calor de las diferentes unidades térmicas, de los instrumentos y de la propia nave espacial. En ambas naves se utilizó un diseño común para los subsistemas de aviónica , control y medición de actitud (ACMS), gestión de comandos y datos (CDMS), alimentación y seguimiento, telemetría y comando (TT&C). Todas las unidades del módulo SVM son redundantes.

Animación de la trayectoria del Observatorio Espacial Planck

Vista polar

Vista ecuatorial

Visto desde el Sol

  Tierra · Observatorio Espacial Planck   

El satélite fue lanzado con éxito, junto con el Observatorio Espacial Herschel , a las 13:12:02  UTC del 14 de mayo de 2009 a bordo de un cohete Ariane 5 ECA desde el Centro Espacial de Guayana . El lanzamiento colocó la nave en una órbita muy elíptica ( perigeo : 270 km [170 mi] , apogeo : más de 1.120.000 km [700.000 mi] ), acercándola al punto de Lagrange L2 del sistema Tierra-Sol , _a 1.500.000 kilómetros (930.000 mi) de la Tierra.     

La maniobra para inyectar a Planck en su órbita final alrededor de L ₂ se completó con éxito el 3 de julio de 2009, cuando entró en una órbita de Lissajous con un radio de 400 000 km (250 000 mi) alrededor del punto lagrangiano L _2. ^{[ 11 ]} La temperatura del instrumento de alta frecuencia alcanzó apenas una décima de grado por encima del cero absoluto (0,1 K ) el 3 de julio de 2009, lo que situó tanto al instrumento de baja frecuencia como al de alta frecuencia dentro de sus parámetros operativos criogénicos, haciendo que Planck estuviera completamente operativo. ^{[ 12 ]}  

En enero de 2012, el HFI agotó su suministro de helio líquido, lo que provocó un aumento de la temperatura del detector y lo dejó inutilizable. El LFI continuó utilizándose hasta que las operaciones científicas finalizaron el 3 de octubre de 2013. El 9 de octubre, la nave espacial realizó una maniobra para alejarse de la Tierra y de su _punto L2 ,  colocándola en una órbita heliocéntrica , mientras que la desactivación de la carga útil tuvo lugar el 19 de octubre. El 21 de octubre, se ordenó a Planck que agotara su suministro de combustible restante; posteriormente se llevaron a cabo actividades de pasivación , incluyendo la desconexión de la batería y la desactivación de los mecanismos de protección. ^{[ 13 ]} La orden de desactivación final, que apagó el transmisor de la nave espacial, se envió a Planck el 23 de octubre de 2013 a las 12:10:27 UTC. ^{[ 14 ]}

Planck inició su Primer Sondeo de Todo el Cielo el 13 de agosto de 2009. ^{[ 16 ]} En septiembre de 2009, la Agencia Espacial Europea anunció los resultados preliminares del Primer Sondeo de Luz de Planck , que se realizó para demostrar la estabilidad de los instrumentos y la capacidad de calibrarlos durante largos períodos. Los resultados indicaron que la calidad de los datos es excelente. ^{[ 17 ]}

El 15 de enero de 2010, la misión se extendió por 12 meses, y las observaciones continuaron al menos hasta finales de 2011. Tras la exitosa conclusión del Primer Sondeo, la nave espacial inició su Segundo Sondeo de Todo el Cielo el 14 de febrero de 2010. Las últimas observaciones del Segundo Sondeo de Todo el Cielo se realizaron el 28 de mayo de 2010. ^{[ 11 ]}

Se han publicado algunos datos de la lista de apuntamiento planificada de 2009, junto con una visualización en vídeo del cielo observado. ^{[ 16 ]}

El 17 de marzo de 2010 se publicaron las primeras fotos de Planck , que mostraban la concentración de polvo a menos de 500 años luz del Sol. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

El 5 de julio de 2010, la misión Planck entregó su primera imagen de todo el cielo. ^{[ 20 ]}

El primer resultado científico público de Planck es el Catálogo de Fuentes Compactas de Lanzamiento Temprano, publicado durante la conferencia de Planck de enero de 2011 en París. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

El 5 de mayo de 2014 se publicó un mapa del campo magnético de la galaxia creado con datos de Planck . ^{[ 23 ]}

El equipo de Planck y los investigadores principales Nazzareno Mandolesi y Jean-Loup Puget compartieron el Premio Gruber de Cosmología de 2018. ^{[ 24 ]} Puget también recibió el Premio Shaw de Astronomía de 2018. ^{[ 25 ]} El Premio Cocconi de la Sociedad Europea de Física de 2019 fue otorgado a la colaboración Planck (conjuntamente con la colaboración WMAP ). ^{[ 26 ]}

• DustPedia
• Modelo Lambda-CDM
• Lista de software de computación cosmológica
• cosmología observacional
• cosmología física
• radiación de terahercios

• Dambeck, Thorsten (mayo de 2009). "Planck se prepara para diseccionar el Big Bang". Sky & Telescope . 117 (5): 24– 28. Bibcode : 2009S & T...117e..24D . OCLC 318973848 . 

• ESA
  • Sitio web de la misión Planck
  • Sitio web científico de Planck
  • Sitio web de operaciones de Planck
  • Sitio web de resultados científicos de Planck
• NASA
  • Sitio web de la misión Planck
  • Archivo Planck de la NASA/IPAC