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wmap
威尔金森微波各向异性探测器(wmap)

wmap的科学目的

根据大爆炸宇宙模型(the big bang), 在宇宙年龄约30万年的时候,宇宙中的物质由电离状态转化成中性原子的状态,宇宙中的光子组分与实物退耦而变成微波背景辐射(cmb)。对于给定的宇宙模型,物理学家们可以精确的计算出cmb各向异性的功率谱,它是与宇宙模型的基本参数有关的,因而通过精确的测量宽角度范围的cmb功率谱,可以确定出各种宇宙模型的基本参数,判断哪些宇宙的模型更好的描述着我们的宇宙,而通过这些基本参数,我们可以知道许多宇宙学中的基本问题,比如空间的几何、宇宙中的物质组分、大尺度结构的形成和宇宙的电离历史等。cmb首先是由penzias和wilson(1965)发现的。1992年,nasa的cobe卫星观测表明cmb是我们可以在自然界测到的最完美的黑体辐射谱,并且第一次给出了cmb各项异性的证据。但由于当时技术的限制,cobe的角分辨率只为7度,Wmap的角分辨率为13分,因而wmap将能精确的回答上述许多基本问题。

wmap的工作原理

重 840kg的wmap于2001年6月30日升空,经过三阶段绕地-月系统的飞行后,被弹射到日-地系统的第二拉格朗日点l2,该点在月球轨道之外,距地球约150万千米,其周围区域是引力的鞍点,在这里卫星可以近似保持距地球的距离,需要很少的维护工作,wmap的维护工作约一年四次。在与地-月系统绕太阳转动的同时,wmap在l2轨道上还做着0.464转/分钟的自转和1转/小时的进动。为了降低系统误差,wmap精确测量的是天空上分隔180度至0.25度的任意两个方向的温度差。为了获得全天的信息,wmap采用了复杂的全天扫描方式,做一次完整地全天扫描要六个月的时间。第一次公布的数据(2003年)包含了两组全天扫描的结果。

wmap测到的全天的各向异性数据,要传送回地球,经过复杂的数据校准和数据处理后,就像地图(map)一样,我们可以用这些数据绘制一幅关于全天辐射各向异性的图(map),图(map)上任一点记载着对应的天空方向的温度涨落。该图(map)用molleweide投影的方法绘出,该方法把全天的各项异性信息映射到一个2:1的椭圆上,保持水平线是直线,子午线除中间一条外都是椭圆弧,并保持相邻的平行线和子午线所包络的面积不变。wmap共给出五个波段的全天图:w-band(~94ghz),v-band(~61ghz),q-band(~41ghz),ka-band(~33ghz)和k-band(~23ghz)。其选取的目的是为降低前景辐射(如银河系的辐射)对cmb的污染,在这些频率上cmb各向异性与前景辐射污染的比率最大。其中,k-band和ka-band不用做cmb的分析,因为它们有着最大的前景污染和它们所观测的在l-空间的区域是受限于其他频段测量所带来的不确定性(cosmic variance)。

为了得到cmb各向异性的信息,对弥漫的星系辐射和星系外的点光源的理解是很重要的,以便去除这些污染信息。通过采取kp0、kp2等屏蔽(mask),线形组合多频段的wmap数据,去除电源和sz效应等手段,才最终得到了cmb的各向异性信息。
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