BOOMERanG (эксперимент)

BOOMERanG (англ. Balloon Observations Of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics) — международный баллонный эксперимент по изучению анизотропии реликтового излучения, проводившийся в 1997—2003 годах. В ходе эксперимента микроволновый радиотелескоп трижды поднимался с помощью стратостата на высоту около 40 км и проводил измерения температуры реликтового излучения в небольших участках небесной сферы. Необходимость подъёма телескопа в стратосферу обусловлена меньшим поглощением микроволн атмосферой Земли на больших высотах. Такая постановка эксперимента обошлась значительно дешевле по сравнению с запуском космического зонда, однако позволяла просканировать только очень небольшую часть (около 3%) небесной сферы.

Это был первый эксперимент, в результате которого были получены большие высокоточные карты анизотропии температуры реликтового излучения. Его наиболее известным результатом явилось открытие в 2000 году того факта, что геометрия пространства Вселенной близка к плоской (аналогичные результаты были получены в похожем эксперименте MAXIMA).

Команду эксперимента BOOMERanG возглавляли Эндрю Ланге из Калифорнийского технологического института и Паоло де Бернардис из университета Сапиенца в Риме.

Полёты

Первый, испытательный, полёт был совершён над штатом Техас (США) на высоте 38,5 км 29—30 августа 1997 года и продолжался 6 часов. При этом были проведены наблюдения участка небесной сферы площадью 200 квадратных градусов на высоких галактических широтах. В двух последующих полётах, в 1998–1999 и 2003 годах, стратостат запускался со станции Мак-Мердо в Антарктиде.

Второй полёт состоялся в период с 29 декабря 1998 года по 8 января 1999 года. Стратостат с телескопом был подхвачен полярным вихрем, пронесён им вокруг Южного полюса на высоте около 38 км и через 10,5 суток возвращён почти в исходную точку (в 50 км к югу от места запуска), из-за чего телескоп и получил свое название.

Третий полёт был совершён в период с 6 по 21 января 2003 года; стратостат с телескопом пролетел по незамкнутой траектории на высоте около 40 км и приземлился примерно в 111 км к югу от станции Купол Фудзи.

Аппаратура

Файл:Инструмент BOOMERanG.png

Рис. 1. Конструкция инструмента BOOMERanG.

Внеосевое 1,3-метровое параболическое главное зеркало телескопа BOOMERanG (рис. 1) с помощью двух дополнительных эллиптических зеркал фокусировало микроволны в фокальной плоскости, где было установлено 16 рупорных облучателей, направлявших излучение в детекторы. Эти детекторы принимали излучение в 4 полосах частот, центрированных около 90, 150, 240 и 410 ГГц. Одновременно в поле зрения телескопа попадала очень небольшая часть небесной сферы, поэтому он должен был вращаться, чтобы охватить всю область исследований (которая в полёте 1998—1999 годов составила около 2000 квадратных градусов).

Для регистрации излучения использовались болометры, охлаждаемые до температуры 0,28 К жидким гелием. В соответствии с законом Дебая, при такой температуре материал имеет очень низкую теплоёмкость, вследствие чего входящее микроволновое излучение вызывает большое изменение температуры (пропорциональное интенсивности входящего излучения), которое измеряется чувствительными термометрами.

Температура излучения в одной части неба измерялась относительно её окружения путём медленного поворота всего телескопа в азимутальном направлении, с периодом сканирования 1—2 минуты. Угловое разрешение телескопа на разных частотах составляло от 10′ до 18′, чувствительность измерения температуры — около 20 мкК.

Результаты

Рис. 2. Карта анизотропии температуры реликтового излучения, построенная по данным эксперимента BOOMERanG в 1998—1999 годах. Для сравнения в правом нижнем углу показан угловой размер Луны в том же масштабе.

По данным эксперимента BOOMERanG, полученным в 1997 и 1998 годах (наряду с другими похожими экспериментами — эксперимент в Саскатуне, MAT/TOCO, MAXIMA и др.) была построена карта анизотропии реликтового излучения для участка неба (рис. 2). Были выявлены области пониженной и повышенной температуры излучения со среднеквадратическим отклонением температуры ≈80 мкК и характерным угловым размером около 1°. Обнаружен осциллирующий характер углового спектра мощности анизотропии реликтового излучения с тремя пиками и двумя провалами, что подтвердило теоретически предсказанное ранее наличие упругих волн плотности в первичной плазме ранней Вселенной (см. Барионные акустические осцилляции). Полученные данные позволили с высокой точностью измерить угломерное расстояние до поверхности последнего рассеяния. В сочетании с дополнительными данными о значении постоянной Хаббла из результатов BOOMERanG следовало, что трёхмерное пространство Вселенной обладает плоской геометрией (т. е. нулевой кривизной) (что подтверждало выводы о существовании тёмной энергии, сделанные ранее на основе наблюдений сверхновых звёзд Ia типа). Полученные ограничения на параметр плотности Вселенной (отношение суммарной средней плотности энергии всех компонентов Вселенной к критической плотности) составили $0,\!85<\Omega <1,\!1$.

По результатам наблюдений BOOMERanG в 2003 году были построены карты анизотропии температуры реликтового излучения с чрезвычайно высоким отношением сигнала к шуму, а также измерена поляризация реликтового излучения. Эти данные позволили наложить наблюдательные ограничения на многие космологические параметры модели ΛCDM: постоянную Хаббла, характеристики первичных возмущений, параметры плотности вещества и тёмной энергии, возраст Вселенной и др., а также на массу нейтрино. Найденные результаты близки к результатам, полученным по данным наблюдений космической обсерватории WMAP.

Литература

• (2002) «The BOOMERanG North America instrument: A balloon-borne bolometric radiometer optimized for measurements of cosmic background radiation anisotropies from 0.°3 to 4°». The Astrophysical Journal Supplement Series 138 (2): 315—336. DOI:10.1086/324265. Bibcode: 2002ApJS..138..315P.
• (2002) «The BOOMERanG experiment and the curvature of the Universe». Progress in Particle and Nuclear Physics 48 (1): 243—261. DOI:10.1016/S0146-6410(02)00131-X. Bibcode: 2002PrPNP..48..243M.
• (2003) «BOOMERANG: A balloon-borne millimeter wave telescope and total power receiver for mapping anisotropy in the cosmic microwave background». Astrophysical Journal Supplement Series 148 (2): 527–541. DOI:10.1086/376894. Bibcode: 2003ApJS..148..527C.
• (2006) «Cosmological parameters from the 2003 flight of BOOMERANG». Astrophysical Journal 647 (2): 799–812. DOI:10.1086/505558. Bibcode: 2006ApJ...647..799M.

Ссылки

• Отчёт о полёте 1997 года // StratoCat.
• Отчёт о полёте 1998—1999 годов // StratoCat.
• Отчёт о полёте 2003 года // StratoCat.
• Jones W. C. et al. A polarization sensitive bolometric detector for observations of the cosmic microwave background // arXiv:astro-ph/0209132.

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «BOOMERanG (эксперимент)», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/BOOMERanG_(эксперимент)» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».