ウィルキンソンマイクロ波異方性プローブ

ウィルキンソンマイクロ波異方性プローブ

ウィルキンソンマイクロ波異方性探査機（WMAP）衛星
名前	エクスプローラー80 MAP マイクロ波異方性プローブ MIDEX-2 WMAP
ミッションタイプ	宇宙マイクロ波背景放射 天文学
オペレーター	米航空宇宙局（NASA）
コスパーID	2001-027A
SATCAT番号	26859
Webサイト	出典：http://map.gsfc.nasa.gov/
ミッション期間	27か月（計画） 9年（達成）[1]
宇宙船の特性
宇宙船	エクスプローラー LXXX
宇宙船の種類	ウィルキンソンマイクロ波異方性プローブ
バス	ウィマップ
メーカー	国立放射線研究所
打ち上げ質量	840 kg (1,850 ポンド) [2]
乾燥質量	763 kg (1,682 ポンド)
寸法	3.6 × 5.1 m (12 × 17 フィート)
力	419ワット
ミッション開始
発売日	2001年6月30日 19:46:46 UTC [3]
ロケット	デルタ II 7425-10 (デルタ 246)
発射場	ケープカナベラル、SLC-17B
請負業者	ボーイング・ローンチ・サービス
入隊	2001年10月1日
ミッション終了
廃棄	墓場の軌道
無効化	2010年10月20日[4]
最後の連絡	2010年8月19日
軌道パラメータ
参照システム	太陽-地球L2軌道
政権	リサージュ軌道
メイン望遠鏡
タイプ	グレゴリオ暦
直径	1.4 × 1.6 m (4 フィート 7 インチ × 5 フィート 3 インチ)
波長	23GHz～94GHz
楽器
擬似相関放射計
ウィルキンソンマイクロ波異方性探査機ミッションパッチ エクスプローラープログラム

ウィルキンソンマイクロ波異方性探査機( WMAP ) は、元々はマイクロ波異方性探査機( MAPおよびエクスプローラー 80 )として知られ、 2001 年から 2010 年まで運用されたNASA の宇宙船であり、ビッグバンから残っている放射熱である宇宙マイクロ波背景放射(CMB) の温度差を測定した。^{[5] [6]}ジョンズ ホプキンス大学のチャールズ L. ベネット教授が率いるこのミッションは、NASAゴダード宇宙飛行センターとプリンストン大学の共同パートナーシップにより開発された。^[7] WMAP 宇宙船は、2001 年 6 月 30 日にフロリダから打ち上げられた。WMAP ミッションはCOBE宇宙ミッションの後継であり、NASAエクスプローラー プログラムにおける 2 番目の中型クラス (MIDEX) 宇宙船であった。 2003年、MAPは、このミッションの科学チームの一員であった宇宙学者デイビッド・トッド・ウィルキンソン（1935-2002）^[7]に敬意を表してWMAPと改名されました。9年間の運用の後、WMAPは2009年に 欧州宇宙機関（ESA）によってより先進的なプランク宇宙船が打ち上げられた後、2010年に停止されました。

WMAPの測定は、現在の宇宙論の標準モデルであるラムダCDMモデルを確立する上で重要な役割を果たしました。WMAPデータは、宇宙定数の形で暗黒エネルギーが支配的な宇宙に非常によく適合しています。他の宇宙論データも一貫しており、モデルを厳密に制限しています。ラムダCDM宇宙モデルでは、宇宙の年齢は137億7200万± 0.059億年。WMAPミッションによる宇宙の年齢の決定は1%以上の精度で行われている。^[8]現在の宇宙の膨張率は（ハッブル定数を参照）69.32 ± 0.80 km·s ⁻¹ ·Mpc ⁻¹。宇宙の現在の内容は4.628% ± 0.093%通常のバリオン物質;24.02%+0.88%
−0.87% 光を放出も吸収もしない冷たい暗黒物質（CDM）71.35%+0.95%
−0.96%宇宙定数の形で暗黒エネルギーが宇宙の膨張を加速している。^[9]現在の宇宙の1％未満がニュートリノであるが、WMAPの測定により、2008年に初めて、データから、ニュートリノ種の有効数が100万個である宇宙ニュートリノ背景^{[10]の存在が示唆された。}3.26 ± 0.35。内容はユークリッド平面幾何学を示し、曲率（）は${\displaystyle \Omega_{k}}$−0.0027+0.0039
−0.0038WMAP の測定は、平坦度の測定など、いくつかの点で 宇宙インフレーションのパラダイムを裏付けています。

このミッションは様々な賞を受賞している。サイエンス誌によると、WMAPは2003年のブレークスルー・オブ・ザ・イヤーだった。^[11]このミッションの結果論文は、「2003年以降の科学における超注目論文」リストで1位と2位になった。^[12] INSPIRE-HEPデータベースにある物理学と天文学の史上最も参照された論文のうち、2000年以降に出版されたのはわずか3つであり、その3つすべてがWMAPの出版物である。プリンストン大学のベネット、ライマン・A・ペイジ・ジュニア、デビッド・N・スパーゲルは、WMAPに関する研究で2010年のショー天文学賞を共同受賞した。 ^[13]ベネットとWMAP科学チームは、2012年のグルーバー宇宙論賞を受賞した。 2018年基礎物理学ブレークスルー賞は、ベネット、ゲイリー・ヒンショー、ノーマン・ヤロシク、ペイジ、スパーゲル、およびWMAP科学チームに授与されました。

2010年10月、WMAP宇宙船は9年間の運用を終え、太陽中心の墓場軌道に放置された。 ^[14] WMAPデータはすべて公開されており、厳重な精査を受けている。最後の公式データ公開は2012年の9年間の公開であった。^{[15] [16]}

データのいくつかの側面は、宇宙論の標準モデルにとって統計的に異常です。たとえば、最大の角度スケールの測定値である四重極モーメントは、モデルが予測するよりもいくらか小さいですが、この食い違いはそれほど重要ではありません。^[17]大きなコールドスポットやデータの他の特徴は統計的に重要であり、これらに関する研究が続けられています。

WMAPの目的は、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の温度差を測定することだった。その異方性は、宇宙の形状、内容、進化を測定するために使用され、ビッグバンモデルと宇宙インフレーション理論をテストした。^{[18]そのために、このミッションでは、マルチ周波数観測により13}分角の解像度でCMBの全天マップを作成した。このマップでは、解像度よりも高い角度スケールの精度を確保するために、系統的誤差を最小限に抑え、相関ピクセルノイズがなく、正確なキャリブレーションが必要だった。^[18]マップには3,145,728ピクセルが含まれており、球体をピクセル化するためにHEALPixスキームを使用している。 ^[19]この望遠鏡は、CMBのEモード偏光^[18]とフォアグラウンド偏光も測定した。^[10]耐用年数は27か月で、L ₂位置に到達するのに3か月、観測期間は2年だった。^[18]

MAPミッションは1995年にNASAに提案され、1996年に定義研究のために選定され、1997年に開発が承認されました。^{[20] [21]}

WMAPに先立ってCMBを観測するミッションが2つありました。(i) CMB異方性の上限測定値を報告したソ連のRELIKT -1 、(ii)大規模なCMB変動を初めて報告した米国のCOBE衛星です。WMAPは、その前身であるCOBE衛星に比べて45倍も感度が高く、角度分解能は33倍でした。 ^[22]後継の欧州プランクミッション（2009～2013年運用）は、WMAPよりも解像度と感度が高く、WMAPの5つではなく9つの周波数帯域で観測を行ったため、天体物理学の前景モデルが改善されました。

望遠鏡の主反射鏡は、グレゴリアンサイズの1.4×1.6m（4フィート7インチ×5フィート3インチ）の皿型（反対方向を向いている）のペアで、0.9×1.0m（2フィート11インチ×3フィート3インチ）の二次反射鏡に信号を集束させる。これらは、最適な性能を発揮するように形作られており、Korexコアの上にカーボンファイバーのシェルがあり、アルミニウムと酸化ケイ素で薄くコーティングされている。二次反射鏡は、主反射鏡の下にある焦点面アレイボックスにある波形のフィードホーンに信号を送信する。 ^[18]

受信機は、2 つの望遠鏡ビームの差を測定する偏光感度差動放射計です。信号は、国立電波天文台(NRAO)が製造した高電子移動度トランジスタ(HEMT)低ノイズ増幅器で増幅されます。放射計は各方向に 10 個ずつ、合計 20 個のフィードから信号を収集します。測定値は、反対方向からの空の信号の差です。方向分離方位は180° で、合計角度は 141° です。天の川銀河からの前景信号の減算を改善するために、WMAP は 23 GHz から 94 GHz までの 5 つの個別の無線周波数帯域を使用しました。^[18]

WMAPのベースは直径5.0メートル（16.4フィート）の太陽電池パネルアレイで、CMB観測中は機器を影の中に保っています（太陽に対して機体を常に22°の角度に保ちます）。アレイの上には底部デッキ（暖かい部品を支える）と上部デッキがあります。望遠鏡の冷たい部品である焦点面アレイとミラーは、デッキ上部にある円筒形の長さ33センチメートル（13インチ）の断熱シェルで暖かい部品から分離されています。^[18]

パッシブサーマルラジエーターはWMAPを約90 K（-183.2 °C、-297.7 °F）まで冷却します。これらは低雑音増幅器に接続されています。望遠鏡は419 Wの電力を消費します。使用可能な望遠鏡ヒーターは緊急生存ヒーターであり、オフのときにそれらを温めるために使用される送信機ヒーターがあります。WMAP宇宙船の温度は白金抵抗温度計で監視されています。^[18]

WMAP の較正は CMB ダイポールと木星の測定によって行われ、ビームパターンは木星を基準にして測定される。望遠鏡のデータは 2GHzトランスポンダーを介して毎日中継され、667 kbit/s のダウンリンクで 70 m (230 フィート) の深宇宙ネットワーク局に送信される。宇宙船には 2 つのトランスポンダーがあり、1 つは冗長バックアップである。これらは無線周波数干渉を最小限に抑えるために、毎日約 40 分しかアクティブにならない。望遠鏡の位置は、3 つのリアクション ホイール、ジャイロスコープ、2 つのスタートラッカー、太陽センサーによって 3 軸で維持され、8 つのヒドラジンスラスタによって操縦される。^[18]

WMAP宇宙船は2001年4月20日にケネディ宇宙センターに到着した。2か月間のテストの後、 2001年6月30日にデルタII 7425ロケットで打ち上げられた。 ^{[20] [22]}打ち上げ5分前に内部電源で動作を開始し、太陽電池パネルアレイが展開されるまで動作を続けた。WMAPは冷却中に起動され、監視された。2001年7月2日、最初は飛行中のテスト（打ち上げから2001年8月17日まで）で動作を開始し、その後、継続的な正式な作業を開始した。^[22]その後、地球-月位相ループを3回実行してサイドローブを測定^し、2001年7月30日に月を通過して太陽-地球L ₂ ラグランジュ点に向かい、2001年10月1日に到着し、そこに配置

探査機をラグランジュ2（地球から1,500,000 km（930,000マイル））に配置することで、熱的に安定し、記録された太陽、地球、および月の汚染放射を最小限に抑えます。太陽を見ずに全天を見るために、WMAPはL2の周りを約_1.0 °から10°のリサージュ軌道で6か月周期で周回します。^{[18]望遠鏡}は2分9秒（0.464 rpm）ごとに1回転し、1時間に1回転の速度で歳差運動します。 ^[18] WMAPは6か月ごとに全天を測定し、2002年4月に最初の全天観測を完了しました。^[21]

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  WMAP は2001 年 6 月 30 日にケネディ宇宙センターから打ち上げられました。
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  WMAPの軌道と軌道
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  WMAPの軌道と天空スキャン戦略

WMAP装置は、2つの背中合わせの1.5メートル（4フィート11インチ）のグレゴリアン反射鏡から給電される擬似相関差分放射計で構成されています。この装置は、22GHzから90GHzまでの5つの周波数帯域を使用して、銀河系からの前景信号を除去します。WMAP装置の視野（FoV）は3.5° x 3.5°です。^[23]

WMAPは5つの周波数で観測され、CMBの前景汚染（天の川と銀河系外の源から）の測定と減算を可能にしました。主な放出メカニズムは、シンクロトロン放射と自由自由放出（低周波数を支配）、および天体物理学的ダスト放出（高周波数を支配）です。これらの放出のスペクトル特性は、5つの周波数に異なる量を与えるため、それらの識別と減算が可能になります。^[18]

前景汚染はいくつかの方法で除去されます。まず、WMAP の測定値から既存の放射マップを減算します。次に、コンポーネントの既知のスペクトル値を使用してコンポーネントを識別します。最後に、追加のデータセットを使用して、前景放射の位置とスペクトルデータを同時に適合させます。前景汚染は、前景汚染が最も少ない全天マップ部分のみを使用し、残りのマップ部分をマスクすることで軽減されました。^[18]

2003 年 2 月 11 日、NASA は WMAP の初年度分のデータを公開しました。初期宇宙の最新の計算された年齢と組成が発表されました。さらに、「近年の最も重要な科学的成果の 1 つである可能性があるほどの驚くべき詳細を含む」初期宇宙の画像が発表されました。新たに公開されたデータは、以前の CMB 測定を上回っています。^[7]

Lambda-CDMモデルに基づいて、WMAPチームはWMAPの初年度の結果から宇宙論パラメータを作成した。以下に3つのセットを示す。第1セットと第2セットはWMAPデータである。違いはスペクトル指数といくつかのインフレーションモデルの予測が追加されていることである。第3データセットは、WMAP制約と他のCMB実験（ACBARとCBI）からの制約、および2dF銀河赤方偏移サーベイとライマンアルファフォレスト測定からの制約を組み合わせたものである。パラメータ間には退化があり、最も重要なのはとの間である。示された誤差は68％の信頼度で示されている。^[24]${\displaystyle n_{s}}$${\displaystyle \tau}$

WMAPチームは、最適なデータと理論モデルを使用して、再電離の赤方偏移を含む重要な宇宙イベントの時間を決定しました。17 ± 4 ;デカップリングの赤方偏移、1089 ± 1（そして分離時の宇宙の年齢、379+8
−7 kyr）および物質/放射線の赤方偏移の等価性、3233+194
−210彼らは、最後の散乱面の厚さを赤方偏移195 ± 2、または118+3
−2 kyr 。彼らは重粒子の現在の密度を決定した。(2.5 ± 0.1) × 10 ⁻⁷  cm ⁻¹、重粒子と光子の比は、6.1+0.3
−0.2× 10 ⁻¹⁰。WMAPによる早期再電離の検出により、温かい暗黒物質は除外された。 ^[24]

研究チームはまた、WMAP周波数で天の川の放射を調べ、208点の源カタログを作成した。

3年間のWMAPデータは2006年3月17日に公開されました。データにはCMBの温度と偏光の測定が含まれており、標準的な平坦なLambda-CDMモデルのさらなる確認とインフレーションを支持する新しい証拠を提供しました。

3年間のWMAPデータだけでも、宇宙には暗黒物質が存在するはずだということを示している。結果はWMAPデータのみを使用して計算されたものと、他のCMB実験（アークミニット宇宙論ボロメータアレイ受信機（ACBAR）、宇宙背景撮像装置（CBI）、BOOMERANG）、スローンデジタルスカイサーベイ（SDSS）、2dF銀河赤方偏移サーベイ、超新星レガシーサーベイ、ハッブル宇宙望遠鏡によるハッブル定数の制約など、他の機器からのパラメータ制約を組み合わせて計算された。^[25]

[a] ^ 偏光測定により再イオン化に対する光学的深さが改善された。^[26]
[b] ^ SDSSデータ と組み合わせると<0.30 。非ガウス性の兆候は見られない。^[25]

5年間のWMAPデータは2008年2月28日に公開されました。データには、宇宙ニュートリノ背景の新しい証拠、最初の星が宇宙を再電離するのに5億年以上かかったという証拠、宇宙インフレーションに関する新しい制約が含まれていました。^[27]

結果の改善は、2 年間の測定期間の追加 (データセットは 2001 年 8 月 10 日の深夜から 2006 年 8 月 9 日の深夜まで) と、データ処理技術の改善、および機器の特性評価の改善 (特にビーム形状) の両方によってもたらされました。また、宇宙論パラメータの推定には 33 GHz の観測も利用しています。以前は 41 GHz と 61 GHz のチャネルのみが使用されていました。

改良されたマスクは前景を除去するために使用されました。^[10]スペクトルの改善は、第3の音響ピークと偏光スペクトルで行われました。^[10]

この測定結果により、CMBが放出された当時の宇宙の構成に制約が課せられた。当時、宇宙の10%はニュートリノ、12%は原子、15%は光子、63%は暗黒物質で構成されていた。当時の暗黒エネルギーの寄与はごくわずかだった。 ^[27]また、現在の宇宙の構成にも制約が課せられ、原子4.6%、暗黒物質23%、暗黒エネルギー72%となっている。^[10]

WMAPの5年間のデータは、Ia型超新星（SNe）と重粒子音響振動（BAO）の測定結果と統合されました。^[10]

WMAPスカイマップの楕円形はモルワイデ図法によるものです。^[28]

データは、テンソル対スカラー比r <0.22（95%の確実性）の値に制限を設けており、これは重力波がCMBの偏光に影響を与えるレベルを決定するものであり、また原始的な非ガウス性の量にも制限を設けている。再イオン化の赤方偏移には、改善された制約が課されており、これは10.9 ± 1.4 、デカップリングの赤方偏移、1 090 .88 ± 0.72（分離時の宇宙の年齢も同様）376.971+3.162
−3.167 kyr）と物質/放射線の赤方偏移の等式、3253+89
−87^[10 ]

銀河系外源カタログは390の源を含むように拡張され、火星と土星からの放射に変動が検出された。^[10]

7年間のWMAPデータは2010年1月26日に公開された。この公開の一環として、標準モデルとの不一致に関する主張が調査された。^[29]そのほとんどは統計的に有意ではなく、事後選択（奇妙な偏差に気付いても、どれだけ熱心に調べたかを適切に考慮していない場合。1:1000の確率の偏差は、通常、1000回試せば見つかる）による可能性が高いことが示された。残っている偏差については、代わりとなる宇宙論的アイデアはない（たとえば、黄道極との相関関係があるように見える）。これらは他の影響によるものである可能性が最も高く、報告書では正確なビーム形状の不確実性や、その他の残っている可能性のある小さな機器および分析の問題に言及している。

もう一つの重要な確認は、宇宙の物質/エネルギーの総量のうち、暗黒エネルギーが非「粒子」背景として 72.8% (1.6% 以内)、暗黒物質が非バリオン (亜原子)「粒子」エネルギーとして 22.7% (1.4% 以内) であることです。これにより、物質、つまりバリオン粒子(原子) はわずか 4.56% (0.16% 以内) になります。

2012年12月29日、9年間のWMAPデータと関連画像が公開されました。画像には、13772 ± 0.059億年前の温度変動と±200マイクロケルビンの温度範囲が示されている。さらに、この研究では、初期宇宙の95％が暗黒物質と暗黒エネルギーで構成されており、空間の曲率は「平坦」の0.4％未満であり、宇宙はビッグバンの「約4億年」後に宇宙の暗黒時代から出現したことが判明した。^{[15] [16] [33]}

このミッションの主な成果は、CMB 温度差のさまざまな楕円マップに含まれています。これらの楕円画像は、ミッション中に望遠鏡で観測された温度分布を WMAP チームが示しています。測定された温度は、マイクロ波背景のプランクの法則の解釈から得られたものです。楕円マップは全天をカバーしています。結果は、約 138 億年前に起こったビッグバンから約 375,000 年後の宇宙のスナップショットです。マイクロ波背景の温度は非常に均一です (現在も 2.7 ケルビンである平均からの相対的な変動は、5 × 10 ⁻⁵）。局所的な方向に対応する温度変化は異なる色で表示されます（「赤」の方向は平均よりも高温、「青」の方向は平均よりも低温です）。^[要出典]

WMAPの当初のスケジュールでは2年間の観測が予定されており、2003年9月までに完了した。ミッションの延長は2002年、2004年、2006年、2008年に認められ、探査機は合計9年間の観測を行ったが、2010年8月に終了し^{[20] 、2010年10月に探査機は}太陽中心の「墓場」軌道に移動された^[14]。

プランク宇宙船も2009年から2013年にかけてCMBを測定しており、総強度と偏光の両方においてWMAPによる測定の精度向上を目指している。地上や気球に設置されたさまざまな機器もCMB測定に貢献しており、他の機器もCMB測定のために構築されている。その多くは、インフレーションの最も単純なモデルから予想されるBモード偏光の探索を目的としており、E and B実験（EBEX）、スパイダー、BICEPおよびケックアレイ（BICEP2）、ケック、QUIET、宇宙論大規模角度スケールサーベイヤー（CLASS）、南極点望遠鏡（SPTpol）などがある。

2013年3月21日、プランク宇宙船の背後にあるヨーロッパ主導の研究チームは、同ミッションの全天宇宙マイクロ波背景放射マップを公開した。^{[34] [35]}このマップは、宇宙がこれまで考えられていたよりもわずかに古いことを示唆している。マップによると、微妙な温度変動は宇宙が約37万歳だったときに深空に刻み込まれた。この刻印は、宇宙の存在において、最初の10億分の1秒（10 ^{−30 ）という早い時期に生じたさざ波を反映している。明らかに、これらのさざ波が、現在の}銀河団と暗黒物質の広大な宇宙の網を生み出した。2013年のデータに基づくと、宇宙には4.9％の通常物質、26.8％の暗黒物質、68.3％の暗黒エネルギーが含まれている。 2015年2月5日、プランクミッションによって新しいデータが発表され、それによると宇宙の年齢は137億9900万年±0.021億年、ハッブル定数は67.74±0.46（km/s）/Mpcであることが明らかになった。^[36]

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• ベネット、チャールズ(2007)。「ウィルキンソンマイクロ波異方性プローブ」。Scholarpedia。2 (10): 4731。Bibcode : 2007SchpJ...2.4731B。doi : 10.4249/ scholarpedia.4731。

ウィキメディア・コモンズには、 WMAPに関連するメディアがあります。

• 宇宙の大きさを測る
• ビッグバンの輝きは漏斗状の宇宙を示唆、ニューサイエンティスト、2004年4月15日
• NASA 2006年3月16日 WMAP インフレーション関連プレスリリース 2013年11月22日アーカイブWayback Machine
• Seife , Charles (2003)。「成分がマップ化され、宇宙のレシピが到来」。サイエンス 。300 ( 5620 ) : 730–731。doi :10.1126/science.300.5620.730。PMID 12730575。S2CID  585072。