La Sonda de Anisotropía de Microondas Wilkinson ( WMAP ), originalmente conocida como Sonda de Anisotropía de Microondas ( MAP y Explorer 80 ), fue una nave espacial de la NASA que operó entre 2001 y 2010 y midió las diferencias de temperatura en el cielo en el fondo cósmico de microondas (CMB), el radiante. Calor restante del Big Bang . [5] [6] Dirigida por el profesor Charles L. Bennett de la Universidad Johns Hopkins , la misión se desarrolló en una asociación conjunta entre el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA y la Universidad de Princeton . [7] La nave espacial WMAP fue lanzada el 30 de junio de 2001 desde Florida . La misión WMAP sucedió a la misión espacial COBE y fue la segunda nave espacial de clase media (MIDEX) del programa Explorer de la NASA . En 2003, MAP pasó a llamarse WMAP en honor al cosmólogo David Todd Wilkinson (1935-2002), [7] que había sido miembro del equipo científico de la misión. Después de nueve años de operaciones, WMAP se cerró en 2010, tras el lanzamiento de la nave espacial Planck , más avanzada, por parte de la Agencia Espacial Europea (ESA) en 2009.
Las mediciones de WMAP desempeñaron un papel clave en el establecimiento del modelo estándar actual de cosmología: el modelo Lambda-CDM . Los datos WMAP se ajustan muy bien a un universo dominado por la energía oscura en forma de constante cosmológica . Otros datos cosmológicos también son consistentes y juntos limitan estrechamente el modelo. En el modelo Lambda-CDM del universo, la edad del universo es13,772 ± 0,059 mil millones de años. La determinación de la edad del universo por parte de la misión WMAP tiene una precisión superior al 1%. [8] La tasa de expansión actual del universo es (ver constante de Hubble )69,32 ± 0,80 km·s −1 ·Mpc −1 . El contenido del universo actualmente consiste en4,628% ± 0,093% materia bariónica ordinaria ;24,02%+0,88%
-0,87% materia oscura fría (CDM) que no emite ni absorbe luz; y71,35%+0,95%
-0,96%de energía oscura en forma de constante cosmológica que acelera la expansión del universo . [9] Menos del 1% del contenido actual del universo está en neutrinos, pero las mediciones de WMAP han descubierto, por primera vez en 2008, que los datos prefieren la existencia de un fondo cósmico de neutrinos [10] con un número efectivo de especies de neutrinos de3,26 ± 0,35 . El contenido apunta a una geometría plana euclidiana , con curvatura ( ) de−0,0027+0,0039
−0,0038. Las mediciones WMAP también respaldan el paradigma de la inflación cósmica de varias maneras, incluida la medición de la planitud.
La misión ha ganado varios premios: según la revista Science , el WMAP fue el Avance del Año 2003 . [11] Los artículos de resultados de esta misión ocuparon el primer y segundo lugar en la lista de "Artículos científicos de gran actualidad desde 2003". [12] De los artículos más referenciados de todos los tiempos en física y astronomía en la base de datos INSPIRE-HEP , sólo tres se han publicado desde 2000, y los tres son publicaciones WMAP. Bennett, Lyman A. Page Jr. y David N. Spergel, estos últimos de la Universidad de Princeton, compartieron el Premio Shaw de astronomía 2010 por su trabajo en WMAP. [13] Bennett y el equipo científico de WMAP recibieron el Premio Gruber 2012 en cosmología. El Premio Breakthrough 2018 en Física Fundamental fue otorgado a Bennett, Gary Hinshaw, Norman Jarosik, Page, Spergel y el equipo científico de WMAP.
En octubre de 2010, la nave espacial WMAP quedó abandonada en una órbita heliocéntrica de cementerio después de completar nueve años de operaciones. [14] Todos los datos de WMAP se hacen públicos y han sido sujetos a un cuidadoso escrutinio. La publicación final de datos oficiales fue la publicación de nueve años en 2012. [15] [16]
Algunos aspectos de los datos son estadísticamente inusuales para el Modelo Estándar de Cosmología. Por ejemplo, la medida de escala angular más grande, el momento cuadripolar , es algo más pequeña de lo que predeciría el modelo, pero esta discrepancia no es muy significativa. [17] Un gran punto frío y otras características de los datos son más significativas estadísticamente, y la investigación continúa al respecto.
El objetivo del WMAP era medir las diferencias de temperatura en la radiación del Fondo Cósmico de Microondas (CMB) . Las anisotropías se utilizaron luego para medir la geometría, el contenido y la evolución del universo ; y probar el modelo del Big Bang y la teoría de la inflación cósmica . [18] Para ello, la misión creó un mapa de cielo completo del CMB, con una resolución de 13 minutos de arco mediante observación multifrecuencia. El mapa requirió la menor cantidad de errores sistemáticos , ningún ruido de píxeles correlacionado y una calibración precisa, para garantizar una precisión de escala angular mayor que su resolución. [18] El mapa contiene 3.145.728 píxeles y utiliza el esquema HEALPix para pixelizar la esfera. [19] El telescopio también midió la polarización en modo E del CMB, [18] y la polarización de primer plano. [10] Su vida útil fue de 27 meses; 3 para alcanzar la posición L 2 , y 2 años de observación. [18]
La misión MAP fue propuesta a la NASA en 1995, seleccionada para estudio de definición en 1996 y aprobada para desarrollo en 1997. [20] [21]
El WMAP fue precedido por dos misiones de observación del CMB; (i) el RELIKT-1 soviético que informó las mediciones del límite superior de las anisotropías del CMB, y (ii) el satélite COBE estadounidense que informó por primera vez fluctuaciones del CMB a gran escala. El WMAP era 45 veces más sensible, con 33 veces la resolución angular de su predecesor, el satélite COBE. [22] La misión europea sucesora Planck (operativa entre 2009 y 2013) tenía una resolución más alta y una sensibilidad más alta que WMAP y se observó en 9 bandas de frecuencia en lugar de las 5 de WMAP, lo que permitió mejorar los modelos astrofísicos de primer plano.
Los espejos reflectantes principales del telescopio son un par de platos gregorianos de 1,4 × 1,6 m (4 pies 7 pulgadas × 5 pies 3 pulgadas) (en direcciones opuestas), que enfocan la señal en un par de 0,9 × 1,0 m (2 pies 11 pulgadas × 3 pies 3 pulgadas) espejos reflectantes secundarios. Tienen una forma para un rendimiento óptimo: una carcasa de fibra de carbono sobre un núcleo Korex, finamente recubierta con aluminio y óxido de silicio . Los reflectores secundarios transmiten las señales a las bocinas de alimentación corrugadas que se encuentran en una caja de plano focal debajo de los reflectores primarios. [18]
Los receptores son radiómetros diferenciales sensibles a la polarización que miden la diferencia entre dos haces de telescopios. La señal se amplifica con amplificadores de bajo ruido de transistores de alta movilidad electrónica (HEMT) , construidos por el Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO). Hay 20 alimentaciones, 10 en cada dirección, de las cuales un radiómetro recoge una señal; la medida es la diferencia en la señal del cielo desde direcciones opuestas. El acimut de separación direccional es de 180°; el ángulo total es 141°. Para mejorar la sustracción de señales de primer plano de nuestra galaxia, la Vía Láctea , el WMAP utilizó cinco bandas de radiofrecuencia discretas, de 23 GHz a 94 GHz. [18]
La base del WMAP es un conjunto de paneles solares de 5,0 m (16,4 pies) de diámetro que mantiene los instrumentos en la sombra durante las observaciones del CMB (manteniendo la nave en un ángulo constante de 22° con respecto al Sol ). Sobre la matriz se encuentran una plataforma inferior (que soporta los componentes calientes) y una plataforma superior. Los componentes fríos del telescopio: el conjunto del plano focal y los espejos, están separados de los componentes calientes con una carcasa cilíndrica de aislamiento térmico de 33 cm (13 pulgadas) de largo encima de la cubierta. [18]
Los radiadores térmicos pasivos enfrían el WMAP a aproximadamente 90 K (−183,2 °C; −297,7 °F); están conectados a los amplificadores de bajo ruido . El telescopio consume 419 W de potencia. Los calentadores de telescopio disponibles son calentadores de supervivencia de emergencia y hay un calentador de transmisor que se usa para calentarlos cuando están apagados. La temperatura de la nave espacial WMAP se controla con termómetros de resistencia de platino . [18]
La calibración del WMAP se realiza con el dipolo CMB y mediciones de Júpiter ; los patrones de haz se miden contra Júpiter. Los datos del telescopio se transmiten diariamente a través de un transpondedor de 2 GHz que proporciona un enlace descendente de 667 kbit/s a una estación de la Red de Espacio Profundo de 70 m (230 pies) . La nave espacial tiene dos transpondedores, uno de respaldo redundante; están mínimamente activos (unos 40 minutos diarios) para minimizar la interferencia de radiofrecuencia . La posición del telescopio se mantiene, en sus tres ejes, con tres ruedas de reacción , giroscopios , dos rastreadores de estrellas y sensores solares , y se dirige con ocho propulsores de hidracina . [18]
La nave espacial WMAP llegó al Centro Espacial Kennedy el 20 de abril de 2001. Después de ser probada durante dos meses, fue lanzada a través del vehículo de lanzamiento Delta II 7425 el 30 de junio de 2001. [20] [22] Comenzó a funcionar con su energía interna cinco minutos antes de su lanzamiento, y continuó funcionando hasta que se desplegó el conjunto de paneles solares. El WMAP fue activado y monitoreado mientras se enfriaba. El 2 de julio de 2001 comenzó a trabajar, primero con pruebas en vuelo (desde el lanzamiento hasta el 17 de agosto de 2001), luego comenzó un trabajo formal y constante. [22] Posteriormente, efectuó tres bucles de fase Tierra-Luna, midiendo sus lóbulos laterales , luego voló cerca de la Luna el 30 de julio de 2001, en ruta al punto de Lagrange L 2 Sol-Tierra , llegando allí el 1 de octubre de 2001, convirtiéndose en el primero. Misión de observación del CMB apostada allí. [20]
Ubicar la nave espacial en Lagrange 2 , (a 1.500.000 km (930.000 mi) de la Tierra) la estabiliza térmicamente y minimiza las emisiones contaminantes solares, terrestres y lunares registradas. Para ver todo el cielo, sin mirar al Sol, el WMAP traza un camino alrededor de L 2 en una órbita de Lissajous ca. 1,0° a 10°, [18] con un período de 6 meses. [20] El telescopio gira una vez cada 2 minutos y 9 segundos (0,464 rpm ) y realiza una precesión a razón de 1 revolución por hora. [18] WMAP midió todo el cielo cada seis meses y completó su primera observación del cielo completo en abril de 2002. [21]
El instrumento WMAP consta de radiómetros diferenciales de pseudocorrelación alimentados por dos reflectores gregorianos primarios consecutivos de 1,5 m (4 pies 11 pulgadas). Este instrumento utiliza cinco bandas de frecuencia de 22 GHz a 90 GHz para facilitar el rechazo de señales de primer plano de nuestra propia galaxia. El instrumento WMAP tiene un campo de visión (FoV) de 3,5° x 3,5°. [23]
El WMAP observó en cinco frecuencias, lo que permitió medir y restar la contaminación en primer plano (de la Vía Láctea y fuentes extragalácticas) del CMB. Los principales mecanismos de emisión son la radiación sincrotrón y la emisión libre (que dominan las frecuencias más bajas) y las emisiones de polvo astrofísico (que dominan las frecuencias más altas). Las propiedades espectrales de estas emisiones aportan cantidades diferentes a las cinco frecuencias, permitiendo así su identificación y resta. [18]
La contaminación en primer plano se elimina de varias formas. Primero, restar los mapas de emisiones existentes de las mediciones del WMAP; en segundo lugar, utilizar los valores espectrales conocidos de los componentes para identificarlos; tercero, ajustar simultáneamente los datos de posición y espectros de la emisión de primer plano, utilizando conjuntos de datos adicionales. La contaminación de primer plano se redujo utilizando solo las partes del mapa de cielo completo con la menor contaminación de primer plano, mientras se enmascaraban las partes restantes del mapa. [18]
El 11 de febrero de 2003, la NASA publicó los datos WMAP del primer año. Se presentaron los últimos cálculos sobre la edad y la composición del universo primitivo. Además, se presentó una imagen del universo temprano, que "contiene un detalle tan sorprendente que puede ser uno de los resultados científicos más importantes de los últimos años". Los datos recién publicados superan las mediciones anteriores del CMB. [7]
Basado en el modelo Lambda-CDM , el equipo de WMAP produjo parámetros cosmológicos a partir de los resultados del primer año de WMAP. A continuación se proporcionan tres conjuntos; el primer y segundo conjunto son datos WMAP; la diferencia es la adición de índices espectrales, predicciones de algunos modelos inflacionarios. El tercer conjunto de datos combina las restricciones de WMAP con las de otros experimentos de CMB ( ACBAR y CBI ) y las restricciones de 2dF Galaxy Redshift Survey y las mediciones del bosque Lyman alfa . Existen degeneraciones entre los parámetros, la más significativa es entre y ; los errores dados tienen un 68% de confianza. [24]
Utilizando los datos y modelos teóricos que mejor se ajustan, el equipo de WMAP determinó los tiempos de importantes eventos universales, incluido el corrimiento al rojo de la reionización .17 ± 4 ; el corrimiento al rojo del desacoplamiento ,1089 ± 1 (y la edad del universo en el momento del desacoplamiento,379+8
−7 kyr ); y el corrimiento al rojo de la igualdad materia/radiación,3233+194
−210. Determinaron que el espesor de la superficie de la última dispersión era195 ± 2 en corrimiento al rojo, o118+3
−2 kyr . Determinaron la densidad actual de bariones ,(2,5 ± 0,1) × 10 −7 cm −1 , y la relación de bariones a fotones,6.1+0,3
−0,2× 10-10 . _ La detección de una reionización temprana por parte del WMAP excluyó la materia oscura cálida . [24]
El equipo también examinó las emisiones de la Vía Láctea en las frecuencias WMAP, produciendo un catálogo de fuentes de 208 puntos .
Los datos WMAP de tres años se publicaron el 17 de marzo de 2006. Los datos incluían mediciones de temperatura y polarización del CMB, que proporcionaron una confirmación adicional del modelo plano estándar Lambda-CDM y nueva evidencia en apoyo de la inflación .
Los datos WMAP de 3 años por sí solos muestran que el universo debe tener materia oscura . Los resultados se calcularon utilizando únicamente datos WMAP y también con una combinación de restricciones de parámetros de otros instrumentos, incluidos otros experimentos de CMB ( Arc Minute Cosmology Bolometer Array Receiver (ACBAR), Cosmic Background Imager (CBI) y BOOMERANG ), Sloan Digital Sky Survey ( SDSS), el 2dF Galaxy Redshift Survey , el Supernova Legacy Survey y las limitaciones de la constante de Hubble del Telescopio Espacial Hubble . [25]
[a] ^ La profundidad óptica de la reionización mejoró debido a las mediciones de polarización. [26]
[b] ^ <0,30 cuando se combina con datos SDSS . No hay indicios de no gaussianidad. [25]
Los datos de cinco años del WMAP se publicaron el 28 de febrero de 2008. Los datos incluían nueva evidencia del fondo de neutrinos cósmicos , evidencia de que las primeras estrellas tardaron más de 500 millones de años en reionizar el universo y nuevas limitaciones a la inflación cósmica . [27]
La mejora en los resultados se debió a dos años adicionales de mediciones (el conjunto de datos se extiende desde la medianoche del 10 de agosto de 2001 a la medianoche del 9 de agosto de 2006), así como al uso de técnicas mejoradas de procesamiento de datos y una mejor caracterización del instrumento. más notablemente de las formas de las vigas. También utilizan las observaciones de 33 GHz para estimar parámetros cosmológicos; anteriormente solo se utilizaban los canales de 41 GHz y 61 GHz.
Se utilizaron máscaras mejoradas para eliminar los primeros planos. [10] Las mejoras en los espectros se produjeron en el tercer pico acústico y en los espectros de polarización. [10]
Las mediciones impusieron limitaciones al contenido del universo en el momento en que se emitió el CMB; en ese momento el 10% del universo estaba formado por neutrinos, el 12% de átomos, el 15% de fotones y el 63% de materia oscura. La contribución de la energía oscura en aquel momento era insignificante. [27] También limitó el contenido del universo actual; 4,6% átomos, 23% materia oscura y 72% energía oscura. [10]
Los datos de cinco años del WMAP se combinaron con mediciones de supernovas de tipo Ia (SNe) y oscilaciones acústicas bariónicas (BAO). [10]
La forma elíptica del mapa celeste WMAP es el resultado de una proyección Mollweide . [28]
Los datos ponen límites al valor de la relación tensor-escalar, r <0,22 (95% de certeza), que determina el nivel en el que las ondas gravitacionales afectan la polarización del CMB, y también pone límites a la cantidad de elementos no primordiales . -gaussianidad . Se impusieron restricciones mejoradas al corrimiento al rojo de la reionización, que es10,9 ± 1,4 , el corrimiento al rojo del desacoplamiento ,1 090,88 ± 0,72 (así como la edad del universo en el momento del desacoplamiento ,376.971+3,162
−3,167 kyr ) y el corrimiento al rojo de la igualdad materia/radiación,3253+
89-87. [10]
El catálogo de fuentes extragalácticas se amplió para incluir 390 fuentes y se detectó variabilidad en las emisiones de Marte y Saturno . [10]
Los datos WMAP de siete años se publicaron el 26 de enero de 2010. Como parte de esta publicación, se investigaron las reclamaciones por inconsistencias con el modelo estándar. [29] Se demostró que la mayoría no era estadísticamente significativa y probablemente se debía a una selección a posteriori (donde uno ve una desviación extraña, pero no considera adecuadamente con qué atención se ha estado buscando; normalmente se encontrará una desviación con una probabilidad de 1:1000). si uno lo intenta mil veces). Para las desviaciones que persisten, no existen ideas cosmológicas alternativas (por ejemplo, parece haber correlaciones con el polo de la eclíptica). Parece muy probable que esto se deba a otros efectos, y el informe menciona incertidumbres en la forma precisa del haz y otros posibles pequeños problemas instrumentales y de análisis restantes.
La otra confirmación de mayor importancia es la cantidad total de materia/energía en el universo en forma de energía oscura: 72,8% (dentro del 1,6%) como fondo sin 'partículas' y materia oscura: 22,7% (dentro del 1,4%). de energía de 'partículas' no bariónicas (subatómicas). Esto deja la materia, o partículas bariónicas (átomos), en sólo el 4,56% (dentro del 0,16%).
El 29 de diciembre de 2012, se publicaron los datos WMAP de nueve años y las imágenes relacionadas.En la imagen se muestran fluctuaciones de temperatura de 13,772 ± 0,059 mil millones de años y un rango de temperatura de ± 200 microkelvin . Además, el estudio encontró que el 95% del universo primitivo está compuesto de materia oscura y energía oscura , la curvatura del espacio es inferior al 0,4% de lo "plano" y el universo surgió de la Edad Oscura cósmica "hace unos 400 millones de años". después del Big Bang . [15] [16] [33]
El principal resultado de la misión está contenido en los distintos mapas ovalados de las diferencias de temperatura del CMB. Estas imágenes ovaladas presentan la distribución de temperatura obtenida por el equipo WMAP a partir de las observaciones del telescopio durante la misión. Se mide la temperatura obtenida a partir de la interpretación de la ley de Planck del fondo de microondas. El mapa ovalado cubre todo el cielo. Los resultados son una instantánea del universo unos 375.000 años después del Big Bang , que ocurrió hace unos 13.800 millones de años. El fondo de microondas tiene una temperatura muy homogénea (las variaciones relativas con respecto a la media, que actualmente sigue siendo de 2,7 kelvin, son sólo del orden de5 × 10-5 ) . Las variaciones de temperatura correspondientes a las direcciones locales se presentan a través de diferentes colores (las direcciones "rojas" son más calientes, las direcciones "azules" más frías que el promedio). [ cita necesaria ]
El cronograma original de WMAP le daba dos años de observaciones; estos se completaron en septiembre de 2003. Se concedieron extensiones de misión en 2002, 2004, 2006 y 2008, lo que dio a la nave espacial un total de 9 años de observación, que finalizaron en agosto de 2010 [20] y en octubre de 2010 la nave espacial fue trasladada a un " cementerio" heliocéntrico. " orbita . [14]
La nave Planck también midió el CMB de 2009 a 2013 y pretende perfeccionar las mediciones realizadas por WMAP, tanto en intensidad total como en polarización. Varios instrumentos terrestres y de globos también han contribuido al CMB, y se están construyendo otros para hacerlo. Muchos tienen como objetivo buscar la polarización en modo B esperada de los modelos más simples de inflación, incluidos The E and B Experiment (EBEX), Spider , BICEP y Keck Array (BICEP2), Keck , QUIET , Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS). ), Telescopio del Polo Sur (SPTpol) y otros.
El 21 de marzo de 2013, el equipo de investigación liderado por Europa detrás de la nave espacial Planck publicó el mapa de todo el cielo del fondo cósmico de microondas de la misión. [34] [35] El mapa sugiere que el universo es un poco más antiguo de lo que se pensaba anteriormente. Según el mapa, sutiles fluctuaciones de temperatura quedaron impresas en el cielo profundo cuando el cosmos tenía unos 370.000 años. La huella refleja ondas que surgieron tan temprano, en la existencia del universo, como la primera nomillonésima (10 −30 ) de segundo. Aparentemente, estas ondas dieron origen a la actual vasta red cósmica de cúmulos de galaxias y materia oscura . Según los datos de 2013, el universo contiene un 4,9% de materia ordinaria , un 26,8% de materia oscura y un 68,3% de energía oscura . El 5 de febrero de 2015, la misión Planck publicó nuevos datos según los cuales la edad del universo es de 13,799 ± 0,021 mil millones de años y la constante de Hubble es de 67,74 ± 0,46 (km/s)/Mpc . [36]
Este artículo incorpora texto de esta fuente, que es de dominio público .La misión WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) está diseñada para determinar la geometría, el contenido y la evolución del universo a través de un mapa del cielo completo con resolución
FWHM de 13
minutos de arco
de la anisotropía de temperatura de la radiación cósmica de fondo de microondas.
Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público .Sólo con instrumentos muy sensibles, como COBE y WMAP, los cosmólogos pueden detectar fluctuaciones en la temperatura de fondo cósmica de microondas.
Al estudiar estas fluctuaciones, los cosmólogos pueden aprender sobre el origen de las galaxias y sus estructuras a gran escala, y pueden medir los parámetros básicos de la teoría del Big Bang.
Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público .Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público .Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público .Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público .Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público .Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público .Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público .Este artículo incorpora texto de esta fuente, que es de dominio público .Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público .
