مسبار ويلكنسون لقياس تباين الخواص الميكروية

كان مسبار ويلكنسون لقياس تباين الموجات الميكروية (WMAP)، المعروف سابقًا باسم مسبار قياس تباين الموجات الميكروية (MAP و Explorer 80)، مركبة فضائية تابعة لوكالة ناسا ، عملت من عام 2001 إلى عام 2010، وقامت بقياس فروق درجات الحرارة في سماء الخلفية الكونية الميكروية (CMB) - وهي الحرارة الإشعاعية المتبقية من الانفجار العظيم . ^{[ 5 ] [ 6 ]} وقد طُوّرت هذه المهمة ، التي ترأسها البروفيسور تشارلز إل. بينيت من جامعة جونز هوبكنز ، في شراكة بين مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا وجامعة برينستون . ^{[ 7 ]} أُطلق مسبار WMAP في 30 يونيو 2001 من فلوريدا . وقد خلفت مهمة WMAP مهمة COBE الفضائية، وكانت ثاني مركبة فضائية متوسطة الحجم (MIDEX) ضمن برنامج مستكشف ناسا . في عام 2003، أُعيد تسمية مسبار ماب إلى مسبار WMAP تكريمًا لعالم الكونيات ديفيد تود ويلكنسون (1935-2002)، ^{[ 7 ]} الذي كان عضوًا في الفريق العلمي للمهمة. بعد تسع سنوات من التشغيل، أُوقف تشغيل مسبار WMAP في عام 2010، عقب إطلاق وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) لمركبة بلانك الفضائية الأكثر تطورًا في عام 2009 .

لعبت قياسات مرصد WMAP دورًا محوريًا في وضع النموذج القياسي الحالي لعلم الكونيات: نموذج لامدا-CDM . تتوافق بيانات WMAP بشكل ممتاز مع كون تهيمن عليه الطاقة المظلمة على شكل ثابت كوني . كما تتوافق بيانات كونية أخرى، وتُحكم مجتمعةً النموذج بشكل كبير. في نموذج لامدا-CDM للكون، يبلغ عمر الكون13.772 ± 0.059 مليار سنة. وقد حددت مهمة WMAP عمر الكون بدقة أفضل من 1%. ^{[ 8 ]} معدل تمدد الكون الحالي هو (انظر ثابت هابل ).69.32 ± 0.80  كم/ث ^/ ميجابارسيك ^/ ثانية . يتكون محتوى الكون حاليًا من4.628% ± 0.093% مادة باريونية عادية ؛24.02% +0.88% −0.87% مادة مظلمة باردة (CDM) لا تُصدر الضوء ولا تمتصه؛ و71.35% +0.95% −0.96% من الطاقة المظلمة على شكل ثابت كوني يُسرّع تمدد الكون . ^{[ 9 ]} أقل من 1% من المحتوى الحالي للكون عبارة عن نيوترينوات، لكن قياسات مرصد WMAP وجدت، لأول مرة في عام 2008، أن البيانات تُرجّح وجود خلفية نيوترينو كونية ^{[ 10 ]} بعدد فعّال من أنواع النيوترينوات.3.26 ± 0.35 . تشير المحتويات إلى هندسة إقليدية مسطحة ، مع انحناء (${\displaystyle \Omega _{k}}$) ل−0.0027 +0.0039 −0.0038 . كما تدعم قياسات WMAP نموذج التضخم الكوني بعدة طرق، بما في ذلك قياس التسطح.

حازت المهمة على جوائز عديدة: فبحسب مجلة ساينس ، كان مشروع WMAP الإنجاز العلمي الأبرز لعام 2003. ^{[ 11 ]} واحتلت أوراق نتائج هذه المهمة المركزين الأول والثاني في قائمة "أهم الأبحاث العلمية منذ عام 2003". ^{[ 12 ]} ومن بين أكثر الأبحاث استشهادًا في الفيزياء وعلم الفلك على مر التاريخ في قاعدة بيانات INSPIRE-HEP ، لم يُنشر سوى ثلاثة أبحاث منذ عام 2000، وجميعها من منشورات WMAP. وتقاسم كل من بينيت، وليمان أ. بيج جونيور ، وديفيد ن. سبيرجل، وكلاهما من جامعة برينستون، جائزة شو في علم الفلك لعام 2010 عن عملهم في WMAP. ^{[ 13 ]} وحصل بينيت وفريق WMAP العلمي على جائزة غروبر في علم الكونيات لعام 2012. مُنحت جائزة الاختراق في الفيزياء الأساسية لعام 2018 لكل من بينيت، وغاري هينشو، ونورمان جاروسيك، وبيج، وسبيرجل، وفريق WMAP العلمي. كما مُنحت جائزة كوكّوني لعام 2019 من الجمعية الفيزيائية الأوروبية لفريق WMAP (بالاشتراك مع فريق بلانك ).

في أكتوبر 2010، أصبحت المركبة الفضائية WMAP مهجورة في مدار حول الشمس بعد إتمام تسع سنوات من العمليات. ^{[ 14 ]} جميع بيانات WMAP متاحة للجمهور وتخضع لتدقيق دقيق. وكان آخر إصدار رسمي للبيانات هو إصدار بيانات السنوات التسع في عام 2012. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

تُعدّ بعض جوانب البيانات غير مألوفة إحصائيًا بالنسبة للنموذج القياسي لعلم الكونيات. فعلى سبيل المثال، يُعدّ أكبر قياس على المقياس الزاوي، وهو عزم رباعي الأقطاب ، أصغر قليلًا مما يتوقعه النموذج، إلا أن هذا التباين ليس ذا دلالة إحصائية كبيرة. ^{[ 17 ]} أما البقعة الباردة الكبيرة وغيرها من سمات البيانات فهي أكثر دلالة إحصائية، ولا يزال البحث جاريًا بشأنها.

كان هدف مهمة WMAP قياس فروق درجات الحرارة في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (CMB) . استُخدمت هذه الفروق لقياس هندسة الكون ومحتواه وتطوره ، ولاختبار نموذج الانفجار العظيم ونظرية التضخم الكوني . ^{[ 18 ]} ولتحقيق ذلك، أنشأت المهمة خريطة كاملة للسماء لإشعاع الخلفية الكونية الميكروي بدقة 13 دقيقة قوسية عبر رصد متعدد الترددات. تطلبت الخريطة أقل قدر من الأخطاء المنهجية ، وانعدام ضوضاء البكسل المترابطة، ومعايرة دقيقة، لضمان دقة المقياس الزاوي التي تتجاوز دقتها. ^{[ 18 ]} تحتوي الخريطة على 3,145,728 بكسل، وتستخدم مخطط HEALPix لتقسيم الكرة إلى بكسلات. ^{[ 19 ]} كما قاس التلسكوب استقطاب نمط E لإشعاع الخلفية الكونية الميكروي، ^{[ 18 ]} واستقطاب المقدمة. ^{[ 10 ]} بلغت مدة خدمته 27 شهرًا؛ 3 أشهر للوصول إلى موقع L2 _، وسنتين من الرصد. ^{[ 18 ]}

تم اقتراح مهمة MAP لوكالة ناسا في عام 1995، وتم اختيارها لدراسة التعريف في عام 1996، وتمت الموافقة على تطويرها في عام 1997. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

سبق مهمة WMAP مهمتان لرصد إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (CMB)؛ (أ) المهمة السوفيتية RELIKT-1 التي رصدت الحد الأعلى لتباينات CMB، و(ب) القمر الصناعي الأمريكي COBE الذي رصد لأول مرة تقلبات CMB واسعة النطاق. تميزت WMAP بحساسية أعلى بـ 45 مرة، ودقة زاوية أعلى بـ 33 مرة من سابقتها COBE. ^{[ 22 ]} أما مهمة بلانك الأوروبية اللاحقة (التي عملت بين عامي 2009 و2013)، فقد تميزت بدقة وحساسية أعلى من WMAP، ورصدت في 9 نطاقات ترددية بدلاً من 5 نطاقات في WMAP، مما أتاح تحسين نماذج الفيزياء الفلكية للخلفية.

تتكون المرايا العاكسة الرئيسية للتلسكوب من طبقين من نوع غريغوريان بأبعاد 1.4 × 1.6 متر (4 أقدام و7 بوصات × 5 أقدام و 3 بوصات ) (مواجهين لاتجاهين متعاكسين)، يعملان على تركيز الإشارة على زوج من المرايا العاكسة الثانوية بأبعاد 0.9 × 1.0 متر ( قدمان و11 بوصة × 3 أقدام و3 بوصات) . صُممت هذه المرايا لتحقيق الأداء الأمثل: غلاف من ألياف الكربون فوق لب من مادة كوريكس، مغطى بطبقة رقيقة من أكسيد الألومنيوم والسيليكون . تنقل المرايا العاكسة الثانوية الإشارات إلى أبواق التغذية المموجة الموجودة على صندوق مصفوفة المستوى البؤري أسفل المرايا العاكسة الرئيسية. ^{[ 18 ]}                  

أجهزة الاستقبال عبارة عن مقاييس إشعاع تفاضلية حساسة للاستقطاب، تقيس الفرق بين شعاعي تلسكوبين. يتم تضخيم الإشارة باستخدام مضخمات منخفضة الضوضاء من نوع ترانزستورات عالية الحركة الإلكترونية (HEMT) ، من تصميم المرصد الوطني لعلم الفلك الراديوي (NRAO). يوجد 20 قناة تغذية، 10 في كل اتجاه، يجمع منها مقياس الإشعاع الإشارة؛ والقياس هو الفرق في إشارة السماء من الاتجاهين المتعاكسين. يبلغ سمت الفصل الاتجاهي 180 درجة؛ والزاوية الكلية 141 درجة. ولتحسين طرح إشارات المقدمة من مجرتنا درب التبانة ، استخدم مشروع WMAP خمسة نطاقات تردد راديوي منفصلة، ​​من 23 جيجاهرتز إلى 94 جيجاهرتز. ^{[ 18 ]}  

خصائص WMAP عند ترددات مختلفة ^{[ 18 ]}

ملكية	نطاق K	نطاق كا	نطاق كيو	نطاق V	نطاق W
الطول الموجي المركزي (مم)	13	9.1	7.3	4.9	3.2
التردد المركزي ( جيجاهرتز )	23	33	41	61	94
عرض النطاق الترددي (جيجاهرتز)	5.5	7.0	8.3	14.0	20.5
حجم الشعاع (بالدقائق القوسية)	52.8	39.6	30.6	21	13.2
عدد أجهزة قياس الإشعاع	2	2	4	4	8
درجة حرارة النظام ( كلفن )	29	39	59	92	145
الحساسية (مللي كلفن ثانية)${\displaystyle ^{1/2}}$)	0.8	0.8	1.0	1.2	1.6

تتكون قاعدة تلسكوب WMAP من مصفوفة ألواح شمسية قطرها 5.0 متر (16.4 قدم) تُبقي الأجهزة في الظل أثناء رصد إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (عن طريق إبقاء المركبة بزاوية ثابتة 22 درجة بالنسبة للشمس ) . وتوجد فوق هذه المصفوفة طبقة سفلية (تدعم المكونات الدافئة) وطبقة علوية. أما المكونات الباردة للتلسكوب، وهي مصفوفة المستوى البؤري والمرايا، فهي مفصولة عن المكونات الدافئة بغلاف عازل حراري أسطواني طوله 33 سم (13 بوصة) يعلو الطبقة العلوية. ^{[ 18 ]}    

تُبرّد مشعات حرارية سلبية تلسكوب WMAP إلى حوالي 90 كلفن (-183.2 درجة مئوية؛ -297.7 درجة فهرنهايت) ؛ وهي موصولة بمضخمات منخفضة الضوضاء . يستهلك التلسكوب 419 واط من الطاقة. سخانات التلسكوب المتوفرة هي سخانات طوارئ للبقاء على قيد الحياة، ويوجد سخان لجهاز الإرسال يُستخدم لتسخينها عند إيقاف تشغيلها. تُراقَب درجة حرارة مركبة WMAP الفضائية باستخدام مقاييس حرارة مقاومة من البلاتين . ^{[ 18 ]}   

تتم معايرة تلسكوب WMAP باستخدام ثنائي قطب إشعاع الخلفية الكونية الميكروي وقياسات كوكب المشتري ؛ حيث تُقاس أنماط الشعاع نسبةً إلى كوكب المشتري. تُنقل بيانات التلسكوب يوميًا عبر جهاز إرسال واستقبال بتردد 2 جيجاهرتز، موفرًا وصلة هابطة بسرعة 667 كيلوبت/ثانية إلى محطة شبكة الفضاء العميق على عمق 70 مترًا (230 قدمًا) . تحتوي المركبة الفضائية على جهازي إرسال واستقبال، أحدهما احتياطي؛ وهما يعملان بشكل محدود للغاية - حوالي 40 دقيقة يوميًا - لتقليل تداخل الترددات الراديوية . يُحافظ على موقع التلسكوب، على محاوره الثلاثة، باستخدام ثلاث عجلات تفاعل ، وجيروسكوبات ، وجهازَي تتبع نجوم، ومستشعرات شمسية ، ويُوجَّه بواسطة ثمانية محركات دفع تعمل بالهيدرازين . ^{[ 18 ]}  

رسم متحرك لمسار WMAP

منظر مائل

منظر من الأرض

  الأرض · خريطة العالم   

وصلت المركبة الفضائية WMAP إلى مركز كينيدي للفضاء في 20 أبريل 2001. وبعد اختبارها لمدة شهرين، أُطلقت بواسطة صاروخ الإطلاق دلتا 2 7425 من محطة كيب كانافيرال الفضائية في 30 يونيو 2001. ^{[ 20 ] [ 22 ]} بدأت المركبة العمل بطاقتها الداخلية قبل خمس دقائق من إطلاقها، واستمرت في العمل حتى تم نشر مصفوفة الألواح الشمسية. تم تفعيل WMAP ومراقبتها أثناء تبريدها. في 2 يوليو 2001، بدأت العمل، أولاً باختبارات أثناء الطيران (من الإطلاق حتى 17 أغسطس 2001)، ثم بدأت العمل الرسمي المستمر. ^{[ 22 ]} بعد ذلك، أجرت ثلاث دورات طورية بين الأرض والقمر، لقياس فصوصه الجانبية ، ثم حلقت بالقرب من القمر في 30 يوليو 2001، في طريقها إلى نقطة لاغرانج L2 _بين الشمس والأرض ، ووصلت إليها في 1 أكتوبر 2001، لتصبح أول مهمة رصد لإشعاع الخلفية الكونية الميكروي تُرسل إلى هناك. ^{[ 20 ]}

ساهم وضع المركبة الفضائية في لاغرانج 2 ( على بُعد 1,500,000 كيلومتر (930,000 ميل) من الأرض) في استقرارها الحراري وتقليل الانبعاثات الشمسية والأرضية والقمرية الملوثة المسجلة. ولرصد السماء بأكملها دون النظر إلى الشمس، رسم مرصد WMAP مسارًا حول لاغرانج ₂ في مدار ليساجو بزاوية تتراوح بين 1.0° و10° تقريبًا، ^{[ 18 ]} بفترة ستة أشهر. ^{[ 20 ]} كان التلسكوب يدور مرة كل دقيقتين و9 ثوانٍ (0.464 دورة في الدقيقة ) ويتقدم دورة كاملة في الساعة. ^{[ 18 ]} قاس مرصد WMAP السماء بأكملها كل ستة أشهر، وأكمل أول رصد شامل للسماء في أبريل 2002. ^{[ 21 ]}  

• 
  إطلاق برنامج WMAP من قاعدة كيب كانافيرال الجوية ، 30 يونيو 2001
• 
  مسار ومدار مسبار WMAP
• 
  استراتيجية مسح مدار وسماء WMAP

رصدت مرصد WMAP خمسة ترددات، مما أتاح قياس وطرح التلوث الأمامي (من مجرة ​​درب التبانة ومصادر خارج المجرة) لإشعاع الخلفية الكونية الميكروي. وتتمثل آليات الانبعاث الرئيسية في إشعاع السنكروترون وانبعاث التفاعل الحر (الذي يهيمن على الترددات المنخفضة)، وانبعاثات الغبار الفلكي (التي تهيمن على الترددات العالية). وتساهم الخصائص الطيفية لهذه الانبعاثات بنسب متفاوتة في الترددات الخمسة، مما يسمح بتحديدها وطرحها. ^{[ 18 ]}

تُزال ملوثات المقدمة بعدة طرق. أولًا، تُطرح خرائط الانبعاث الموجودة من قياسات WMAP؛ ثانيًا، تُستخدم القيم الطيفية المعروفة للمكونات لتحديدها؛ ثالثًا، تُجرى عملية مطابقة متزامنة لبيانات الموقع والطيف لانبعاث المقدمة، باستخدام مجموعات بيانات إضافية. وقد تم تقليل ملوثات المقدمة باستخدام أجزاء خريطة السماء الكاملة ذات أقل قدر من ملوثات المقدمة فقط، مع إخفاء أجزاء الخريطة المتبقية. ^{[ 18 ]}

نماذج انبعاثات الخلفية لخمس سنوات، بترددات مختلفة. الأحمر = السنكروترون؛ الأخضر = الإشعاع الحر؛ الأزرق = الغبار الحراري.

23 جيجاهرتز	33 جيجاهرتز	41 جيجاهرتز	61 جيجاهرتز	94 جيجاهرتز

The main result of the mission is contained in the various oval maps of the CMB temperature differences. These oval images present the temperature distribution derived by the WMAP team from the observations by the telescope during the mission. Measured is the temperature obtained from a Planck's law interpretation of the microwave background. The oval map covers the whole sky. The results are a snapshot of the universe around 375,000 years after the Big Bang, which happened about 13.8 billion years ago. The microwave background is very homogeneous in temperature (the relative variations from the mean, which presently is still 2.7 kelvins, are only of the order of 5×10⁻⁵). The temperature variations corresponding to the local directions are presented through different colors (the "red" directions are hotter, the "blue" directions cooler than the average).

The original timeline for WMAP gave it two years of observations; these were completed by September 2003. Mission extensions were granted in 2002, 2004, 2006, and 2008 giving the spacecraft a total of 9 observing years, which ended August 2010^[20] and in October 2010 the spacecraft was moved to a heliocentric "graveyard" orbit.^[14]

قامت مركبة بلانك الفضائية أيضًا بقياس إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (CMB) من عام 2009 إلى عام 2013، وتهدف إلى تحسين القياسات التي أجراها مرصد WMAP، سواءً من حيث الشدة الكلية أو الاستقطاب. كما ساهمت العديد من الأجهزة الأرضية والمحمولة بالبالونات في رصد إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، ويجري حاليًا بناء أجهزة أخرى لهذا الغرض. ويهدف العديد منها إلى البحث عن استقطاب النمط B المتوقع من أبسط نماذج التضخم الكوني، بما في ذلك تجربة E وB (EBEX)، و Spider ، وBICEP وKeck Array (BICEP2)، و Keck ، و QUIET ، و Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS)، وتلسكوب القطب الجنوبي (SPTpol)، وغيرها.

في 21 مارس/آذار 2013، نشر فريق البحث الأوروبي القائم على مهمة مركبة بلانك الفضائية خريطة شاملة للسماء لخلفية الإشعاع الكوني الميكروي. ^{[ 34 ] [ 35 ]} تشير الخريطة إلى أن عمر الكون أقدم قليلاً مما كان يُعتقد سابقاً. ووفقاً لها، فقد انطبعت تقلبات طفيفة في درجة الحرارة على أعماق الفضاء عندما كان عمر الكون حوالي 370,000 عام. وتعكس هذه البصمة تموجات نشأت في وقت مبكر من وجود الكون، في الجزء الأول من الثانية (10⁻³⁰ ^{) . ويبدو أن هذه التموجات هي التي أدت إلى ظهور} الشبكة الكونية الشاسعة الحالية من تجمعات المجرات والمادة المظلمة . واستناداً إلى بيانات عام 2013، يحتوي الكون على 4.9% من المادة العادية ، و26.8% من المادة المظلمة ، و68.3% من الطاقة المظلمة . في 5 فبراير 2015، تم إصدار بيانات جديدة من قبل مهمة بلانك، والتي تشير إلى أن عمر الكون يبلغ 13.799 ± 0.021 مليار سنة وأن ثابت هابل يبلغ 67.74 ± 0.46 (كم/ث)/ميجابارسيك . ^{[ 36 ]}

• برنامج المستكشفين
• مشروع إليستريس
• قائمة تجارب الخلفية الكونية الميكروية
• قائمة برامج الحسابات الكونية
• رسم خرائط الأشعة السينية للمجرة S150

• بينيت، تشارلز (2007). "مسبار ويلكنسون لقياس تباين الموجات الميكروية" . موسوعة سكولاربيديا . 2 (10): 4731. رمز Bibcode : 2007SchpJ...2.4731B . doi : 10.4249/scholarpedia.4731 .

• تقييم الكون
• توهج الانفجار العظيم يشير إلى كون على شكل قمع ، مجلة نيو ساينتست ، 15 أبريل 2004
• بيان صحفي لوكالة ناسا بتاريخ 16 مارس 2006 حول التضخم الناتج عن مشروع WMAP. مؤرشف بتاريخ 22 نوفمبر 2013 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
• سيف، تشارلز (2003). " مع تحديد مكوناتها، وصفة الكون تنادي". مجلة ساينس . 300 (5620): 730-731 . doi : 10.1126/science.300.5620.730 . PMID 12730575. S2CID 585072 .