MAXIMA (эксперимент)

MAXIMA (англ. Millimeter Anisotropy eXperiment IMaging Array) — баллонный эксперимент по изучению анизотропии реликтового излучения, в ходе которого радиотелескоп миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн дважды (в 1998 и 1999 годах) поднимался с помощью стратостата на высоту около 38 км и проводил измерения температуры реликтового излучения в небольших участках (0,3—0,5%) небесной сферы.

Финансирование проекта осуществлялось NASA, Национальным научным фондом и Министерством энергетики США, исполнителем выступала международная исследовательская группа под руководством Калифорнийского университета. Первоначально планировался как часть эксперимента BOOMERanG, однако впоследствии был выделен как самостоятельный эксперимент, подразумевающий использование менее рискованного подхода с меньшим временем полёта, а также запуском и посадкой только на территории США.

Аппаратура

Рис. 1. Рупорные облучатели и болометры телескопа MAXIMA.

Основой инструмента MAXIMA являлся внеосевой телескоп системы Грегори. Параболическое главное зеркало диаметром 1,3 м было установлено на подвешенной к стратостату платформе, имевшей механизмы регулировки угла наклона и поворота телескопа в азимутальном направлении. Отражённые зеркалом микроволны попадали в охлаждаемый жидким гелием блок, содержащий эллиптические вторичное (диаметром 21 см) и третичное (18 см) зеркала, низкочастотные фильтры, полевую и апертурную диафрагмы, рупорные облучатели и болометры (рис. 1) для регистрации излучения. Восемь одночастотных конических облучателей с рабочей частотой 150 ГГц и 4 многочастотных облучателя с частотами 240 и 410 ГГц каждый обеспечивали угловое разрешение 10′ на всех трёх частотах. Регистрация излучения осуществлялась решёткой из 16 паутинных болометров, охлаждённых до температуры 0,1 К. Сканирование небесной сферы осуществлялось путём поворота телескопа в азимутальном направлении при фиксированном угле наклона к горизонту. С учётом вращения Земли это давало возможность просканировать область неба размером 10° × 10°. Также на борту имелись ПЗС-камеры для точного контроля ориентации телескопа и калибровки инструмента с помощью наблюдений точечных космических источников (звёзд и планет). Для наведения телескопа использовались 4 двигателя.

Полёты

Первый полёт телескопа (известный как MAXIMA-I) состоялся 2 августа 1998 года. Стратостат был запущен Колумбийским центром эксплуатации научно-исследовательских стратостатов (англ. Columbia Scientific Balloon Facility) в городе Палестин (штат Техас). Максимальная высота подъёма составила около 38 км. В ходе наблюдений, продолжавшихся чуть более 4 часов, была просканирована область Северного полушария неба площадью 124 квадратных градуса (0,3% всей небесной сферы), около созвездия Дракон. Кроме того, проводились наблюдения Юпитера для калибровки инструмента. Пролетев несколько сотен километров, телескоп приземлился в 24 км к югу от города Одесса (штат Техас).

Второй полёт (MAXIMA-II) был осуществлён 17 июня 1999 года. Место запуска было тем же, приземление произошло в 24 км к северу от Стерлинг-Сити. Максимальная высота полёта составила 38 км. Наблюдения продолжались около 7,5 часов и охватили участок неба площадью 225 квадратных градусов (0,5% небесной сферы); также для калибровки инструмента наблюдался Марс.

Результаты

Рис. 2. Карта анизотропии температуры реликтового излучения, построенная по данным наблюдений телескопа MAXIMA во время первого полёта (1998). По осям отложены прямое восхождение и склонение.

Наблюдения телескопа MAXIMA охватывали меньшую часть небесной сферы, чем в эксперименте BOOMERanG, однако обеспечили более высокую детализацию. К концу 2000 года именно в рамках эксперимента MAXIMA были получены самые точные измерения угловых флуктуаций температуры реликтового излучения на малых угловых масштабах.

По данным наблюдений MAXIMA была построена карта анизотропии реликтового излучения в небольшом участке неба (рис. 2) и построен осциллирующий угловой спектр мощности анизотропии с несколькими максимумами и минимумами в интервале мультиполей $l=35-1235$ (т. е. угловых масштабов от ~10′ до 5°). В спектре мощности обнаружен чётко выраженный максимальный пик при $l\approx 220$ (что соответствует характерному угловому размеру флуктуаций ~1°) с амплитудой 78 ± 6 мкК (т. н. первый доплеровский, или акустический пик); в интервале $l=400-785$ амплитуда варьировалась между ~40 и ~50 мкК. Наличие акустического пика при $l\approx 220$ означало, что трёхмерное пространство Вселенной обладает плоской геометрией (нулевой кривизной), т. е. параметр плотности Вселенной $\Omega$ (отношение суммарной средней плотности энергии всех компонентов Вселенной к критической плотности) близок к единице ($\Omega =0,\!9\pm 0,\!2$), а также имеется ненулевая космологическая постоянная.

Из результатов MAXIMA также следовало, что средняя плотность барионного вещества Вселенной составляет около 4—5% от её полной плотности (с учётом дополнительных данных о значении постоянной Хаббла), что согласуется со значением, полученным другим методом — путём сравнения результата расчётов распространённости лёгких химических элементов во Вселенной в рамках теории первичного нуклеосинтеза с наблюдательными данными. Все эти выводы подтверждали справедливость стандартной космологической модели. Удалось оценить и другие параметры модели. В частности, анализ данных выявил масштабно-инвариантный спектр первичных адиабатических возмущений плотности, предсказываемый инфляционными моделями ранней Вселенной.

Литература

• Hanany, S. (2000). «MAXIMA-1: A Measurement of the Cosmic Microwave Background Anisotropy on Angular Scales of 10′—5°». The Astrophysical Journal 545 (1): L5—L9. DOI:10.1086/317322. Bibcode: 2000ApJ...545L...5H.

• Jaffe, A. H. (2003). «Recent results from the MAXIMA experiment». New Astronomy Reviews 47 (8—10): 727—732. DOI:10.1016/j.newar.2003.07.020. Bibcode: 2003NewAR..47..727J.

• Rabii, B. (2006). «MAXIMA: A balloon-borne cosmic microwave background anisotropy experiment». Review of Scientific Instruments 77 (7): 071101. DOI:10.1063/1.2219723. Bibcode: 2006RScI...77g1101R.

Ссылки

• MAXIMA (Millimeter Anisotropy eXperiment IMaging Array) // Berkeley Cosmology Group (архивированная копия).

• Отчёт о полёте 1998 года // StratoCat.

• Отчёт о полёте 1999 года // StratoCat.

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «MAXIMA (эксперимент)», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/MAXIMA_(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?».