BOOMERanG (эксперимент)

Первый, испытательный, полёт был совершён над штатом Техас (США) на высоте 38,5 км^[4] 29—30 августа 1997 года и продолжался 6 часов^[4][5]. При этом были проведены наблюдения участка небесной сферы площадью 200 квадратных градусов на высоких галактических широтах^[5]. В двух последующих полётах, в 1998–1999 и 2003 годах, стратостат запускался со станции Мак-Мердо в Антарктиде.

Второй полёт состоялся в период с 29 декабря 1998 года по 8 января 1999 года. Стратостат с телескопом был подхвачен полярным вихрем, пронесён им вокруг Южного полюса на высоте около 38 км^[1][6] и через 10,5 суток возвращён почти в исходную точку (в 50 км к югу от места запуска)^[6][7], из-за чего телескоп и получил свое название.

Третий полёт был совершён в период с 6 по 21 января 2003 года; стратостат с телескопом пролетел по незамкнутой траектории на высоте около 40 км и приземлился примерно в 111 км к югу от станции Купол Фудзи^[8].

Внеосевое 1,3-метровое параболическое главное зеркало телескопа BOOMERanG (рис. 1) с помощью двух дополнительных эллиптических зеркал фокусировало микроволны в фокальной плоскости, где было установлено 16 рупорных облучателей, направлявших излучение в детекторы. Эти детекторы принимали излучение в 4 полосах частот, центрированных около 90, 150, 240 и 410 ГГц^[6]. Одновременно в поле зрения телескопа попадала очень небольшая часть небесной сферы, поэтому он должен был вращаться, чтобы охватить всю область исследований (которая в полёте 1998—1999 годов составила около 2000 квадратных градусов^[6]).

Для регистрации излучения использовались болометры, охлаждаемые до температуры 0,28 К жидким гелием. В соответствии с законом Дебая, при такой температуре материал имеет очень низкую теплоёмкость, вследствие чего входящее микроволновое излучение вызывает большое изменение температуры (пропорциональное интенсивности входящего излучения), которое измеряется чувствительными термометрами^[6].

Температура излучения в одной части неба измерялась относительно её окружения путём медленного поворота всего телескопа в азимутальном направлении, с периодом сканирования 1—2 минуты. Угловое разрешение телескопа на разных частотах составляло от 10′ до 18′^[6], чувствительность измерения температуры — около 20 мкК^[1].

По данным эксперимента BOOMERanG, полученным в 1997 и 1998 годах (наряду с другими похожими экспериментами — эксперимент в Саскатуне, MAT/TOCO, MAXIMA и др.) была построена карта анизотропии реликтового излучения для участка неба (рис. 2). Были выявлены области пониженной и повышенной температуры излучения со среднеквадратическим отклонением температуры ≈80 мкК и характерным угловым размером около 1°. Обнаружен осциллирующий характер углового спектра мощности анизотропии реликтового излучения с тремя пиками и двумя провалами, что подтвердило теоретически предсказанное ранее наличие упругих волн плотности в первичной плазме ранней Вселенной (см. Барионные акустические осцилляции). Полученные данные позволили с высокой точностью измерить угломерное расстояние до поверхности последнего рассеяния. В сочетании с дополнительными данными о значении постоянной Хаббла из результатов BOOMERanG следовало, что трёхмерное пространство Вселенной обладает плоской геометрией (т. е. нулевой кривизной)^[2][1] (что подтверждало выводы о существовании тёмной энергии, сделанные ранее на основе наблюдений сверхновых звёзд Ia типа). Полученные ограничения на параметр плотности Вселенной (отношение суммарной средней плотности энергии всех компонентов Вселенной к критической плотности) составили ${\displaystyle 0,\!85<\Omega <1,\!1}$^[1].

По результатам наблюдений BOOMERanG в 2003 году были построены карты анизотропии температуры реликтового излучения с чрезвычайно высоким отношением сигнала к шуму, а также измерена поляризация реликтового излучения^[9]. Эти данные позволили наложить наблюдательные ограничения на многие космологические параметры модели ΛCDM: постоянную Хаббла, характеристики первичных возмущений, параметры плотности вещества и тёмной энергии, возраст Вселенной и др., а также на массу нейтрино. Найденные результаты близки к результатам, полученным по данным наблюдений космической обсерватории WMAP^[9].