مستكشف الخلفية الكونية

كان مستكشف الخلفية الكونية (COBE / ˈkoʊbi / KOH - bee ) ، والذي يشار إليه أيضًا باسم المستكشف 66 ، قمرًا صناعيًا تابعًا لناسا مخصصًا لعلم الكونيات ، والذي عمل من عام 1989 إلى عام 1993. وكانت أهدافه هي التحقيق في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (CMB أو CMBR) للكون وتوفير قياسات من شأنها أن تساعد في تشكيل فهم الكون .

قدمت قياسات مرصد COBE دليلين أساسيين يدعمان نظرية الانفجار العظيم للكون: أن إشعاع الخلفية الكونية الميكروي يتميز بطيف جسم أسود مثالي تقريبًا ، وأنه يحتوي على تباينات خافتة للغاية . وقد حصل اثنان من الباحثين الرئيسيين في مشروع COBE، وهما جورج ف. سموت الثالث وجون س. ماثر ، على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2006 لجهودهما في هذا المشروع. ووفقًا للجنة جائزة نوبل، "يمكن اعتبار مشروع COBE أيضًا نقطة انطلاق لعلم الكونيات كعلم دقيق". ^{[ 4 ]}

كان COBE ثاني قمر صناعي لخلفية الموجات الميكروية الكونية، بعد RELIKT-1 ، وتبعه مركبتان فضائيتان أكثر تطوراً: مسبار ويلكنسون لقياس تباين الموجات الميكروية (WMAP) الذي عمل من عام 2001 إلى عام 2010 ومركبة بلانك الفضائية من عام 2009 إلى عام 2013.

كان الهدف من مهمة مستكشف الخلفية الكونية (COBE) هو إجراء قياسات دقيقة للإشعاع المنتشر بين 1 ميكرومتر و 1 سم (0.39 بوصة) على كامل الكرة السماوية. وقد تم قياس الكميات التالية: (1) طيف إشعاع 3 كلفن ضمن نطاق 100 ميكرومتر إلى 1 سم (0.39 بوصة)؛ (2) تباين هذا الإشعاع من 3 إلى 10 مم (0.39 بوصة) ؛ و(3) طيف وتوزيع زاوية إشعاع الخلفية المنتشر بالأشعة تحت الحمراء بأطوال موجية من 1 إلى 300 ميكرومتر. ^{[ 5 ]}      

في عام 1974، أصدرت وكالة ناسا إعلانًا عن فرصٍ لبعثاتٍ فلكية تستخدم مركبةً فضائيةً صغيرةً أو متوسطة الحجم من طراز إكسبلورر . من بين 121 مقترحًا تم استلامها، تناولت ثلاثةٌ منها دراسة الإشعاع الكوني الخلفي. ورغم أن هذه المقترحات لم تُعتمد لصالح القمر الصناعي الفلكي بالأشعة تحت الحمراء ( IRAS )، إلا أن قوتها دفعت ناسا إلى مواصلة استكشاف الفكرة. في عام 1976، شكّلت ناسا لجنةً من أعضاءٍ من كل فريقٍ من فرق المقترحات الثلاثة لعام 1974 لجمع أفكارهم حول هذا القمر الصناعي. بعد عام، اقترحت هذه اللجنة قمرًا صناعيًا يدور في مدارٍ قطبي يُدعى COBE، يُطلق إما بواسطة مركبة الإطلاق دلتا 5920-8 أو مكوك الفضاء . سيحتوي هذا القمر على الأجهزة التالية: ^{[ 6 ]}

وافقت ناسا على المقترح بشرط ألا تتجاوز التكاليف 30 مليون دولار أمريكي، باستثناء تكاليف الصاروخ الحامل وتحليل البيانات. ونظرًا لتجاوزات التكاليف في برنامج إكسبلورر بسبب مشروع القمر الصناعي IRAS، لم يبدأ العمل على بناء القمر الصناعي في مركز غودارد لرحلات الفضاء (GSFC) حتى عام 1981. ولتوفير التكاليف، ستكون أجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء وخزان الهيليوم السائل في جهاز COBE مماثلة لتلك المستخدمة في القمر الصناعي الفلكي بالأشعة تحت الحمراء (IRAS).

كان من المقرر إطلاق مسبار COBE في الأصل على متن مكوك الفضاء في مهمة STS-82-B عام 1988 من قاعدة فاندنبرغ الجوية ، إلا أن انفجار مكوك تشالنجر أدى إلى تأجيل هذه الخطة بعد توقف رحلات المكوك. ومنعت وكالة ناسا مهندسي COBE من التوجه إلى شركات فضائية أخرى لإطلاقه، وفي نهاية المطاف، تم وضع نسخة مُعاد تصميمها من COBE في مدار متزامن مع الشمس في 18 نوفمبر 1989 على متن صاروخ دلتا.

في 23 أبريل 1992، أعلن علماء مشروع COBE في اجتماع الجمعية الفيزيائية الأمريكية (APS) في واشنطن العاصمة عن اكتشاف "البذور البدائية" (تباين CMBE) في بيانات جهاز DMR؛ وحتى ذلك الحين، كانت الأجهزة الأخرى "غير قادرة على رؤية النموذج الأولي". ^{[ 7 ]} وفي اليوم التالي، نشرت صحيفة نيويورك تايمز الخبر في صفحتها الأولى، موضحةً أن هذا الاكتشاف هو "أول دليل يكشف كيف تطور كونٌ متجانسٌ في البداية إلى بانوراما النجوم والمجرات والتجمعات المجرية العملاقة التي نراها اليوم". ^{[ 8 ]}

مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2006 بشكل مشترك إلى جون سي. ماثر، من مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا ، وجورج إف. سموت الثالث، من جامعة كاليفورنيا، بيركلي ، "لاكتشافهما شكل الجسم الأسود وعدم تجانس إشعاع الخلفية الكونية الميكروي". ^{[ 4 ]}

كان COBE قمرًا صناعيًا من فئة Explorer، بتكنولوجيا مستعارة بشكل كبير من IRAS، ولكن مع بعض الخصائص الفريدة.

تطلّب التحكم في جميع مصادر الأخطاء المنهجية وقياسها تصميمًا دقيقًا ومتكاملًا. كان من الضروري أن يعمل جهاز COBE لمدة ستة أشهر على الأقل، وأن يحدّ من التداخل اللاسلكي من الأرض وجهاز COBE والأقمار الصناعية الأخرى، فضلًا عن التداخل الإشعاعي من الأرض والشمس والقمر . [ 9 ^{] كما تطلّبت} الأجهزة استقرارًا حراريًا ، والحفاظ على الكسب، ومستوى عالٍ من النظافة للحدّ من دخول الضوء الشارد والانبعاث الحراري من الجسيمات.

تطلّب التحكم في الخطأ المنهجي في قياس تباين إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، وقياس السحابة البروجية بزوايا استطالة مختلفة لأغراض النمذجة اللاحقة، أن يدور القمر الصناعي بسرعة دوران تبلغ 0.8 دورة في الدقيقة . ^{[ 9 ]} كما تم إمالة محور الدوران للخلف عن متجه السرعة المدارية كإجراء احترازي ضد الترسبات المحتملة للغازات الجوية المتبقية على العدسات، وكذلك ضد التوهج بالأشعة تحت الحمراء الناتج عن اصطدام الجسيمات المحايدة السريعة بسطحه بسرعات فائقة.

لتحقيق المطلبين المتلازمين للدوران البطيء والتحكم في الوضعية على ثلاثة محاور، تم استخدام زوج متطور من عجلات الزخم الزاوي للانعراج ، حيث تم توجيه محورها على طول محور الدوران. ^{[ 9 ]} وقد استُخدمت هذه العجلات لحمل زخم زاوي معاكس لزخم المركبة الفضائية بأكملها، وذلك لإنشاء نظام زخم زاوي صافٍ صفري.

سيتحدد المدار بناءً على تفاصيل مهمة المركبة الفضائية. وكانت الاعتبارات الأساسية هي ضرورة تغطية السماء بالكامل، والتخلص من الإشعاع المتناثر من الأجهزة، والحفاظ على الاستقرار الحراري للوعاء الحراري والأجهزة. ^{[ 9 ]} وقد حقق مدار دائري متزامن مع الشمس جميع هذه المتطلبات. تم اختيار مدار على ارتفاع 900 كيلومتر (560 ميلًا) بزاوية ميل 99 درجة، لأنه يتناسب مع قدرات مكوك الفضاء (مع نظام دفع مساعد على متن المركبة COBE) أو مركبة الإطلاق دلتا. ويمثل هذا الارتفاع حلاً وسطًا مناسبًا بين إشعاع الأرض والجسيمات المشحونة في أحزمة الإشعاع الأرضية على ارتفاعات أعلى. تم اختيار نقطة الصعود عند الساعة 18:00 لتمكين المركبة COBE من تتبع حدود ضوء الشمس والظلام على الأرض طوال العام.  

لقد جعل المدار المقترن بمحور الدوران من الممكن إبقاء الأرض والشمس باستمرار أسفل مستوى الدرع، مما يسمح بإجراء مسح كامل للسماء كل ستة أشهر.

كان آخر جزأين مهمين في مهمة COBE هما وعاء التبريد (ديوار) والدرع الشمسي الأرضي. كان وعاء التبريد عبارة عن خزان تبريد فائق السيولة بسعة 650 لترًا (140 جالونًا إمبراطوريًا ؛ 170 جالونًا أمريكيًا ) مصنوع من الهيليوم، مصممًا لتبريد جهازي FIRAS وDIRBE طوال مدة المهمة. وقد استند تصميمه إلى نفس تصميم خزان التبريد المستخدم في IRAS، وكان قادرًا على تصريف الهيليوم على طول محور الدوران بالقرب من مصفوفات الاتصالات. أما الدرع الشمسي الأرضي المخروطي الشكل، فقد حمى الأجهزة من الإشعاع الشمسي والأرضي المباشر، بالإضافة إلى التداخل اللاسلكي من الأرض وهوائي إرسال COBE. ووفرت طبقات العزل المتعددة فيه عزلًا حراريًا لوعاء التبريد. ^{[ 9 ]}     

في يناير 1994، اختتمت العمليات الهندسية وتم نقل تشغيل المركبة الفضائية إلى منشأة والوبس للطيران (WFF) لاستخدامها كقمر صناعي تجريبي. ^{[ 5 ]}

أُجريت المهمة العلمية بواسطة الأجهزة الثلاثة المذكورة سابقًا: DIRBE وFIRAS وDMR. تداخلت هذه الأجهزة في تغطية الأطوال الموجية، مما وفر التحقق من اتساق القياسات في مناطق التداخل الطيفي، وساعد في تمييز الإشارات من مجرتنا والنظام الشمسي وإشعاع الخلفية الكونية الميكروي. ^{[ 9 ]}

ستحقق أجهزة مرصد COBE كل أهدافها بالإضافة إلى إجراء ملاحظات سيكون لها آثار خارج النطاق الأولي لمرصد COBE.

منحنى الجسم الأسود لإشعاع الخلفية الكونية الميكروي

خلال فترة الخمسة عشر عاماً التي انقضت بين اقتراح مشروع COBE وإطلاقه، حدث تطوران فلكيان مهمان:

• في عام 1981، أعلن فريقان من علماء الفلك، أحدهما بقيادة ديفيد ويلكنسون من جامعة برينستون والآخر بقيادة فرانشيسكو ميلكيوري من جامعة فلورنسا ، في وقت واحد، عن رصدهما لتوزيع رباعي الأقطاب لإشعاع الخلفية الكونية الميكروي باستخدام أجهزة محمولة على بالونات. وكان من المفترض أن يُمثل هذا الاكتشاف رصد توزيع الجسم الأسود لإشعاع الخلفية الكونية الميكروي الذي كان من المقرر أن يقيسه جهاز FIRAS على متن مسبار COBE. وعلى وجه الخصوص، ادعى فريق فلورنسا رصد تباينات في المقياس الزاوي المتوسط ​​عند مستوى 100 ميكروكلفن ^{[ 13 ]} ، وهو ما يتوافق مع القياسات اللاحقة التي أجرتها تجربة BOOMERanG . ومع ذلك، حاولت العديد من التجارب الأخرى تكرار نتائجهم، لكنها لم تنجح في ذلك. ^{[ 6 ]}
• ثانيًا، في عام 1987 ، أعلن فريق ياباني-أمريكي بقيادة أندرو إي. لانج وبول ريتشاردز من جامعة كاليفورنيا، بيركلي، وتوشيو ماتسوموتو من جامعة ناغويا، أن إشعاع الخلفية الكونية الميكروي ليس إشعاع جسم أسود حقيقي. ^{[ 14 ]} وفي تجربة صاروخية استكشافية ، رصدوا سطوعًا زائدًا عند أطوال موجية 0.5 و 0.7 ملم (0.028 بوصة) .  

مع هذه التطورات التي شكلت خلفية لمهمة مسبار COBE، ترقب العلماء بشغف نتائج مرصد FIRAS. وكانت نتائج FIRAS مذهلة، إذ أظهرت تطابقًا تامًا بين إشعاع الخلفية الكونية الميكروي والمنحنى النظري لجسم أسود عند درجة حرارة 2.7 كلفن، على عكس نتائج مرصد بيركلي-ناغويا.

أُجريت قياسات FIRAS بقياس الفرق الطيفي بين رقعة من السماء مساحتها 7 درجات وجسم أسود داخلي. غطى مقياس التداخل في FIRAS نطاقًا طيفيًا يتراوح بين 2 و95 ^سم⁻¹  في نطاقين يفصل بينهما 20 سم⁻¹ . يوجد طولان للمسح (قصير وطويل) وسرعتان للمسح (سريع وبطيء) ^، ليصبح المجموع أربعة أنماط مسح مختلفة. جُمعت البيانات على مدى عشرة أشهر. ^{[ 15 ]} 

التباين الجوهري لإشعاع الخلفية الكونية الميكروي

تمكن جهاز DMR من قضاء أربع سنوات في رسم خرائط التباين القابل للكشف لإشعاع الخلفية الكونية، كونه الجهاز الوحيد الذي لا يعتمد على إمداد الهيليوم من وعاء التبريد للحفاظ على برودته. وقد أتاحت هذه العملية إنشاء خرائط سماوية كاملة لإشعاع الخلفية الكونية الميكروي عن طريق طرح الانبعاثات المجرية وثنائيات الأقطاب عند ترددات مختلفة. تُعد تقلبات إشعاع الخلفية الكونية الميكروي خافتة للغاية، إذ لا تتجاوز جزءًا واحدًا من 100,000 مقارنةً بمتوسط ​​درجة حرارة مجال الإشعاع البالغة 2.73 كلفن. يُعتبر إشعاع الخلفية الكونية الميكروي من بقايا الانفجار العظيم ، وتمثل تقلباته بصمة تباين الكثافة في الكون المبكر. ويُعتقد أن تموجات الكثافة هذه قد ساهمت في تكوين البنية الكونية كما نراها اليوم: تجمعات المجرات ومناطق شاسعة خالية من المجرات. ^{[ 16 ]}

ديربي

إضافةً إلى النتائج التي توصل إليها جهاز DIRBE بشأن المجرات، فقد قدم إسهامين هامين آخرين للعلم. ^{[ 17 ]} تمكن جهاز DIRBE من إجراء دراسات على الغبار بين الكواكب (IPD) وتحديد ما إذا كان مصدره جزيئات من الكويكبات أو المذنبات. وقد خلصت بيانات DIRBE التي جُمعت عند أطوال موجية 12 و25 و50 و100 ميكرومتر إلى أن حبيبات ذات أصل كويكيبي تتواجد في نطاقات الغبار بين الكواكب وفي سحابة الغبار بين الكواكب المتجانسة. ^{[ 18 ]}

تمثلت المساهمة الثانية لمشروع DIRBE في نموذج للقرص المجري كما يُرى من حافته من موقعنا. ووفقًا لهذا النموذج، إذا كانت الشمس على بُعد 8.6 كيلوبارسيك من مركز المجرة ، فإنها ترتفع بنسبة 15.6% فوق المستوى المتوسط ​​للقرص، الذي يبلغ طوله القطري 2.64 كيلوبارسيك، وطوله الرأسي 0.333 كيلوبارسيك، وهو مُلتوٍ بطريقة تتوافق مع طبقة الهيدروجين المتعادل. كما لا يوجد ما يشير إلى وجود قرص سميك. ^{[ 19 ]}

لإنشاء هذا النموذج، كان لا بد من طرح بيانات IPD من بيانات DIRBE. وقد تبين أن هذه السحابة، التي تُرى من الأرض على أنها ضوء البروج ، لم تكن متمركزة حول الشمس كما كان يُعتقد سابقًا، بل في مكان ما في الفضاء على بُعد بضعة ملايين من الكيلومترات. ويعود ذلك إلى تأثير جاذبية زحل والمشتري . ^{[ 6 ]}

ظهر قمر مستكشف الخلفية الكونية مرتين في الحلقة الأولى من الموسم الأول من مسلسل يونغ شيلدون بعنوان " الغلوونات، والجواكامولي، واللون الأرجواني "، حيث يحلم شيلدون لي كوبر الصغير بمساعدة وكالة ناسا في إنقاذ القمر الصناعي من السقوط على الأرض. ^{[ 23 ]}

• 9997 COBE ، كوكب صغير سمي على اسم التجربة.
• رسم خرائط الأشعة السينية للمجرة S150
• مسبار ويلكنسون لقياس تباين الخواص الميكروية

• آرني، توماس ت. (2002). الاستكشافات: مقدمة في علم الفلك (  الطبعة الثالثة). دوبوك، أيوا: ماكجرو هيل. ISBN 978-0-07-241593-3.
• ليدل، أندرو ر.؛ ليث، ديفيد هـ. (مارس 1993) [أغسطس 1992]. "اضطراب كثافة المادة المظلمة الباردة". تقارير الفيزياء . 231 ( 1-2 ). إلسيفير (نُشر في أغسطس 1993): 1-105 . arXiv : astro-ph/9303019 . Bibcode : 1993PhR...231....1L . doi : 10.1016/0370-1573(93)90114-S . S2CID 119084975 . 
• أودنوالد، ستين؛ نيومارك، جيفري؛ سموت، جورج (6 أكتوبر 1995). "دراسة للمجرات الخارجية التي رصدها مرصد COBE لخلفية الأشعة تحت الحمراء المنتشرة" . المجلة الفيزيائية الفلكية . 500 (2). الجمعية الفلكية الأمريكية (نُشرت في 20 يونيو 1998): 554-568 . arXiv : astro-ph/9610238 . Bibcode : 1998ApJ...500..554O . doi : 10.1086/305737 . ISSN 0004-637X . S2CID 18799050 .  

• ماثر، جون سي؛ بوسلوغ، جون (1996). أول ضوء: القصة الحقيقية من الداخل للرحلة العلمية إلى فجر الكون . نيويورك: بيسيك بوكس. ISBN 0-465-01575-1.
• سموت، جورج ؛ ديفيدسون، كي (1993). تجاعيد الزمن . نيويورك: ويليام مورو . ISBN 0-688-12330-9. LCCN 93008500 . OCLC 28215032 . OL 1400708M .   
• WMAP

• موقع ناسا الإلكتروني حول مسبار COBE
• فيديو إعلامي من وكالة ناسا قبل إطلاق مركبة COBE
• نبذة عن مهمة COBE من قسم استكشاف النظام الشمسي التابع لناسا
• صورة APOD لثنائي قطب COBE  ، تُظهر حركة الأرض بسرعة 600 كم/ثانية بالنسبة لإشعاع الخلفية الكونية.
• مقالة "مستكشف الخلفية الكونية" من موقع Scholarpedia