윌킨슨 마이크로파 비등방성 탐색기

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1. 개요
2. 역사
3. 우주선 및 관측 장비
4. 관측 데이터 및 주요 성과
5. 후속 연구 및 영향
- 5.1. 플랑크 위성
- 5.2. 기타 관측 실험
참조

1. 개요

윌킨슨 마이크로파 비등방성 탐색기(WMAP)는 2001년부터 2010년까지 우주 마이크로파 배경(CMB)을 관측한 NASA의 우주선이다. COBE 위성보다 향상된 해상도와 민감도를 통해 초기 우주의 나이와 구성을 계산하고, 우주론적 매개변수를 정밀하게 측정했다. WMAP는 우주 나이, 암흑 물질과 암흑 에너지의 비율, 허블 상수 등을 밝혀냈으며, 우주 인플레이션 시나리오를 뒷받침하는 증거를 제시했다. WMAP의 관측 결과는 플랑크 위성을 비롯한 후속 연구에 영향을 미쳤으며, CMB 연구 발전에 기여했다.

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윌킨슨 마이크로파 비등방성 탐색기
명칭
공식 명칭	윌킨슨 마이크로파 비등방성 탐색기
다른 명칭	익스플로러 80 MAP (마이크로파 비등방성 탐색기) MIDEX-2 WMAP (더블유맵)
개요
임무 유형	우주 마이크로파 배경 천문학
운영 기관	NASA
임무 기간	계획: 27개월, 실제: 9년
웹사이트	WMAP 공식 웹사이트
우주선
우주선 종류	익스플로러 LXXX (80)
우주선 버스	WMAP
제작	NRAO
발사 질량	840 kg
건조 질량	763 kg
크기	3.6 m x 5.1 m
전력	419 와트
발사
발사일	2001년 6월 30일, 19:46:46 UTC
발사 로켓	델타 II 7425-10 (델타 246)
발사 장소	케이프커내버럴, SLC-17B
발사 계약자	보잉 발사 서비스
임무
임무 시작	2001년 10월 1일
폐기 유형	묘지 궤도
임무 종료	2010년 10월 20일
마지막 교신	2010년 8월 19일
궤도 기준점	태양-지구 L2 궤도
궤도 형태	리사주 궤도
망원경
망원경 종류	그레고리안
망원경 직경	1.4 m x 1.6 m
망원경 파장	23 GHz ~ 94 GHz
측정 장비
장비	유사 상관 복사계
K-밴드	23 GHz, 52.8 MOA 빔
Ka-밴드	33 GHz, 39.6 MOA 빔
Q-밴드	41 GHz, 30.6 MOA 빔
V-밴드	61 GHz, 21 MOA 빔
W-밴드	94 GHz, 13.2 MOA 빔
기타
윌킨슨 마이크로파 비등방성 탐색기 임무 패치
프로그램	익스플로러 계획
이전 임무	HETE-2 (익스플로러 79)
다음 임무	RHESSI (익스플로러 81)

2. 역사

WMAP의 민감도를 COBE, 펜지아스와 윌슨의 홀름델 혼 안테나와 비교 (시뮬레이션 데이터)

윌킨슨 마이크로파 비등방성 탐색기(WMAP) 임무는 우주 마이크로파 배경(CMB) 복사의 미세한 온도 차이(비등방성)를 측정하여 우주의 기원과 진화를 이해하기 위해 1995년 NASA에 제안되었다. 1996년 정의 연구 대상으로 선정되었고, 1997년 개발이 승인되었다.^[19]^[20] 초기에는 '''MAP'''(Microwave Anisotropy Probe)라는 이름으로 고다드 우주 비행 센터와 프린스턴 대학교가 공동으로 개발했으며, NASA의 중형 탐사선(MIDEX) 시리즈 중 하나이다.

WMAP 이전에도 CMB를 관측한 임무들이 있었다. 소련의 RELIKT-1은 CMB 비등방성의 상한치를 측정했고, 미국의 COBE 위성은 대규모 CMB 변동을 처음으로 보고했다. WMAP는 COBE 위성보다 45배 더 민감하고 33배 더 높은 각도 분해능을 가지도록 설계되어, 빅뱅 모델과 우주 인플레이션 이론을 정밀하게 검증하는 것을 목표로 했다.^[17]^[21]

WMAP 탐사선은 2001년 6월 30일 델타 II 로켓에 실려 성공적으로 발사되었다. 발사 후 탐사선은 달의 중력을 이용한 스윙바이를 거쳐 약 3개월 만에 지구로부터 약 150만 km 떨어진 태양-지구 계의 L2 지점 부근의 궤도에 도착했다.^[17] L2 지점은 태양, 지구, 달의 영향을 비교적 적게 받아 관측에 매우 안정적인 환경을 제공한다.

2002년, 이 임무의 핵심 과학자이자 우주 배경 복사 연구의 선구자였던 천문학자 데이비드 토드 윌킨슨이 사망하자, 그의 공로를 기리기 위해 탐사선의 이름이 WMAP(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)로 변경되었다.^[40]

WMAP는 L2 궤도에서 하늘의 두 지점 간 온도 차이를 측정하는 차분 마이크로파 라디오미터를 사용하여 관측을 수행했다. 은하 등 다른 천체에서 오는 전파 신호의 영향을 최소화하기 위해 22 GHz에서 90 GHz 사이의 5개 주파수 대역을 사용했다. 탐사선은 하루에 하늘의 약 30%를 스캔하고, 지구의 공전과 함께 L2 지점을 따라 이동하며 6개월마다 전천을 관측했다.

초기 계획된 관측 기간은 2년이었으나^[17], 임무는 성공적으로 연장되어 총 9년간 운영되었다. WMAP는 2010년 9월 8일에 공식적으로 임무를 종료했다.^[41] WMAP가 수집한 데이터는 우주의 나이, 구성, 초기 상태 등에 대한 이해를 크게 높였으며, 후속 임무인 유럽 우주국의 플랑크 위성(2009-2013년 운영)은 WMAP보다 더 높은 해상도와 감도로 CMB를 관측하여 우주론 연구를 더욱 발전시켰다.

2. 1. 초기 관측 결과 (2003년)

2003년 2월, NASA는 WMAP의 첫 1년간의 관측 결과를 발표하며, 초기 우주의 상태를 매우 정밀하게 담은 이미지를 공개했다. 이 데이터는 당시 표준 우주 모형으로 받아들여지던 Λ-CDM 모형을 강력하게 뒷받침하는 결과를 보여주었다.

WMAP의 1년차 관측 데이터를 통해 밝혀진 주요 우주론적 매개변수는 다음과 같다.

우주 나이: 약 137억 년 (정확히는 137 ± 2억 년)으로 측정되었다. https://arxiv.org/abs/astro-ph/0302209%7C[astro-ph/0302209]
우주의 크기: 최소 780억 광년 이상인 것으로 추정되었다.
우주의 조성: 우주는 일반 물질 약 4%, 정체를 알 수 없는 암흑 물질 약 23%, 그리고 우주 팽창을 가속시키는 암흑 에너지 약 73%로 구성되어 있다는 것이 밝혀졌다. 이는 Λ-CDM 모형의 예측과 잘 들어맞는 결과였다. (3년차 결과에서는 각각 4%, 24%, 72%로 소폭 조정되었으나 큰 변화는 없었다.)
우주 인플레이션 이론: WMAP의 관측 결과는 초기 우주가 급격히 팽창했다는 우주 인플레이션 시나리오와 전반적으로 일치했다. 다만, 매우 큰 각도 규모에서는 당시 이론으로 설명하기 어려운 불일치가 관측되기도 했다. https://cerncourier.com/a/wmap-reveals-universes-behaviour/%7C[CERN Courier]
허블 상수: 우주의 팽창 속도를 나타내는 허블 상수는 71 ± 4 km/s/Mpc로 측정되었다.
우주의 미래: WMAP 데이터를 현재의 우주 모형에 적용하면, 우리 우주는 앞으로 영원히 팽창을 계속할 것이라는 결론이 나왔다.
우주의 재이온화 시기: 빅뱅 이후 우주가 식으면서 중성 원자가 형성되었다가, 이후 최초의 천체들이 형성되면서 다시 이온화되는 우주의 재이온화가 일어났다. WMAP 1년차 데이터는 이 재이온화가 적색 편이 z=20 시점, 즉 빅뱅 후 약 2억 년이라는 매우 이른 시기에 시작되었음을 시사했다. (이 값은 이후 3년차 분석에서 z=11, 즉 빅뱅 후 약 4억 년으로 수정되었다.)

2. 2. 3년차 관측 결과 (2006년)

3년차 WMAP 데이터는 2006년 3월 17일에 공개되었다. 이 데이터에는 CMB의 온도 및 편광 측정이 포함되었으며, 이는 표준 평탄 ΛCDM 모형에 대한 추가적인 확인과 인플레이션을 뒷받침하는 새로운 증거를 제공했다.

3년차 WMAP 데이터만으로도 우주에 암흑 물질이 존재해야 한다는 것을 알 수 있다. 결과는 WMAP 데이터만 사용한 경우와, 다른 CMB 실험(ACBAR, CBI, BOOMERANG), SDSS, 2dF 은하 적색편이 서베이, 초신성 유산 서베이 및 허블 우주 망원경에서 얻은 허블 상수에 대한 제약 조건 등을 혼합하여 계산되었다.^[25]

WMAP 3년차 결과에서 얻은 최적의 우주론적 매개변수^[25]
매개변수	기호	최적값 (WMAP만 사용)
우주의 나이 (Ga)	$t_0$	13.73^+0.16_−0.15
허블 상수 ( km/s/Mpc )	$H_0$	73.2^+3.1_−3.2
중입자 함량	$\Omega_b h^2$	0.0229 ± 0.00073
물질 함량	$\Omega_m h^2$	0.1277^+0.0080_−0.0079
재이온화에 대한 광학적 깊이편광 측정으로 인해 재이온화에 대한 광학적 깊이가 개선되었다.	$\tau$	0.089 ± 0.030
스칼라 스펙트럼 지수	$n_s$	0.958 ± 0.016
8 $h$ ⁻¹ Mpc에서의 변동 진폭	$\sigma_8$	0.761^+0.049_−0.048
텐서-스칼라 비율SDSS 데이터와 결합할 경우 < 0.30. 비가우스성에 대한 징후 없음.	r	< 0.65

WMAP 관측은 우주의 재이온화 시기를 추정하는 데 중요한 단서를 제공했다. 자유 전자가 원자핵에 포획되어 우주가 중성화된 이후, 천체 형성에 의해 우주가 다시 이온화되는 시기를 CMB의 편광으로부터 해석할 수 있다. 1차년도 결과에서는 이 시기를 적색 편이 z=20 (빅뱅 후 약 2억 년)으로 추정했으나, 3차년도 데이터 분석 결과 z=11 (빅뱅 후 약 4억 년)로 수정되었다.

2. 3. 5년차 관측 결과 (2008년)

(작성할 내용 없음 - 주어진 원본 소스에는 '5년차 관측 결과 (2008년)'에 해당하는 내용이 포함되어 있지 않습니다.)

2. 4. 7년차 관측 결과 (2010년)

주어진 원본 소스에는 '7년차 관측 결과 (2010년)'에 대한 내용이 포함되어 있지 않습니다. 따라서 해당 섹션의 내용을 작성할 수 없습니다.

2. 5. 9년차 관측 결과 (2012년)

(원본 소스에 '9년차 관측 결과 (2012년)'에 해당하는 내용이 없어 작성할 수 없습니다.)

3. 우주선 및 관측 장비

윌킨슨 마이크로파 비등방성 탐색기(WMAP)는 우주 마이크로파 배경 복사(CMB)에 남아있는 미세한 온도 차이(비등방성)를 전천에 걸쳐 정밀하게 측정하여, 초기 우주의 상태와 진화 과정을 이해하고 다양한 우주론 모델을 검증하기 위해 개발된 NASA의 우주 탐사선이다. WMAP은 이전에 CMB를 관측했던 COBE 위성의 후속 임무이며, NASA의 중형 탐사선 시리즈(MIDEX) 중 하나로 선정되었다.

원래 계획 당시 이름은 '''MAP'''(Microwave Anisotropy Probe|마이크로파 비등방성 탐색기^eng)였으나, 탐사선 발사 후인 2002년, CMB 연구의 선구자이자 해당 연구팀의 일원이었던 천문학자 데이비드 토드 윌킨슨이 사망하자 그를 기리기 위해 현재의 이름으로 변경되었다.^[40]

WMAP의 핵심 과학 목표는 CMB의 상대적인 온도 차이를 하늘 전체에 걸쳐 높은 각 분해능(0.3도 이내)과 뛰어난 감도(픽셀당 20 µK), 그리고 매우 낮은 계통 오차(픽셀당 5 µK 이내)로 측정하는 것이었다.^[40] 이를 위해 WMAP은 하늘의 서로 다른 두 지점에서 오는 마이크로파 신호의 차이를 정밀하게 측정하는 차분 라디오미터 방식을 채택했다. 또한, 관측 데이터의 정확도를 높이고 외부 간섭을 최소화하기 위해 지구로부터 약 150만km 떨어진 태양-지구 계의 라그랑주 점 L₂ 부근의 안정적인 궤도에서 관측을 수행했다. L₂ 지점은 태양, 지구, 달의 영향을 적게 받으면서 지속적으로 깊은 우주를 관측할 수 있는 이상적인 환경을 제공한다.

탐사선은 서로 반대 방향을 보는 한 쌍의 그레고리식 반사경을 통해 마이크로파를 모으고, 이를 편광에 민감한 차동 전파계로 보내 신호 차이를 측정했다. 특히 우리 은하 내부에서 발생하는 강한 전파 신호(전경 복사)의 영향을 효과적으로 분리하고 제거하기 위해, 23 GHz에서 94 GHz에 이르는 5개의 서로 다른 주파수 대역에서 동시에 관측을 수행했다.^[17]

WMAP은 초기에 2년간의 관측 임무를 계획했으나 성공적인 운영을 통해 최종적으로 9년 동안 임무를 수행했으며, 2010년 9월 8일에 공식적으로 운용을 종료했다.^[41] WMAP이 제공한 정밀한 CMB 데이터는 표준 우주 모형(람다-CDM 모형)을 확립하고 암흑 물질과 암흑 에너지의 존재를 강력하게 뒷받침하는 등 현대 우주론 연구에 결정적인 기여를 했다.

3. 1. 우주선

WMAP 우주선은 우주 배경 복사(CMB)의 미세한 온도 차이를 정밀하게 측정하기 위해 설계되었다. 주요 구성 요소는 다음과 같다.
광학 시스템:망원경의 핵심은 서로 반대 방향을 향하는 한 쌍의 1.4m x 1.6m 크기 그레고리식 주 반사경이다. 이 거울은 들어오는 마이크로파 신호를 0.9m x 1m 크기의 보조 반사경으로 모은다. 반사경은 최적의 성능을 위해 탄소 섬유 쉘 위에 Korex 코어를 사용하고, 표면은 얇은 알루미늄과 산화 규소로 코팅되었다. 보조 반사경은 다시 신호를 주 반사경 아래의 초점면 어레이 박스에 위치한 골판형 피드혼으로 보낸다.^[17]
수신기 및 전파계:수신기는 두 망원경 빔 사이의 미세한 신호 차이를 측정하는 편광 감응형 차동 전파계이다. 신호 증폭에는 미국 국립 전파 천문대(NRAO)에서 제작한 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT) 기반의 저잡음 증폭기가 사용되었다. 각 방향당 10개씩, 총 20개의 피드혼이 하늘의 반대 방향에서 오는 신호를 동시에 수집하여 그 차이를 측정한다. 두 측정 방향 사이의 방위각은 180°이며, 총 각도는 141°이다. 우리 은하에서 오는 강한 전파(전경 신호)의 영향을 효과적으로 제거하기 위해, WMAP은 23 GHz부터 94 GHz까지 총 5개의 서로 다른 주파수 대역에서 관측을 수행했다.^[17]

WMAP의 주파수 대역별 특성^[17]
특성	K-대역	Ka-대역	Q-대역	V-대역	W-대역
중심 파장 (mm)	13	9.1	7.3	4.9	3.2
중심 주파수 (GHz)	23	33	41	61	94
대역폭 (GHz)	5.5	7.0	8.3	14.0	20.5
빔 크기 (분)	52.8	39.6	30.6	21	13.2
전파계 수	2	2	4	4	8
시스템 온도 (K)	29	39	59	92	145
감도 (mK s^1/2)	0.8	0.8	1.0	1.2	1.6

구조 및 열 제어:WMAP의 기본 구조는 직경 5m의 대형 태양 전지판 어레이 위에 구축되었다. 이 태양 전지판은 우주선에 전력을 공급하는 동시에, 관측 장비가 태양 복사열의 영향을 받지 않도록 항상 그늘을 만들어주는 역할을 한다(우주선은 태양에 대해 항상 22° 기울어진 자세를 유지). 태양 전지판 위에는 상대적으로 온도가 높은 부품을 지지하는 하단 데크와, 초점면 어레이 및 반사경과 같이 냉각이 필요한 부품이 위치한 상단 데크가 있다. 이 두 데크 사이는 33cm 길이의 원통형 열 절연 쉘로 분리되어 열 전달을 최소화한다.^[17]

수동 열 방열기를 통해 WMAP의 관측 장비는 약 90,000로 냉각되어 저잡음 증폭기의 성능을 극대화한다. 우주선 전체는 약 419 W의 전력을 소비한다. 비상시를 대비한 생존 히터와 송신기 히터도 장착되어 있다. 우주선 내부 온도는 백금 저항 온도계로 정밀하게 감시된다.^[17]
통신 및 자세 제어:관측 데이터는 2 GHz 송수신기를 통해 미국 항공우주국 심우주 네트워크(NASA DSN)의 70m 안테나로 전송되며, 다운링크 속도는 초당 667 kbit이다. 만약을 대비해 동일한 송수신기가 하나 더 탑재되어 있다. 무선 주파수 간섭을 최소화하기 위해 데이터 전송은 하루에 약 40분 정도로 최소화된다. 우주선의 정밀한 자세 제어는 3개의 반작용 휠, 자이로스코프, 2개의 별 추적기, 태양 센서를 이용해 이루어지며, 8개의 하이드라진 추력기가 궤도 및 자세 수정을 담당한다.^[17]
보정:관측 데이터의 정확성을 확보하기 위해 CMB 자체의 쌍극자 성분과 목성의 신호를 이용해 장비를 보정한다. 특히 망원경의 빔 패턴(관측 방향별 감도 분포)은 목성을 기준으로 정밀하게 측정된다.^[17]
궤도:WMAP은 지구로부터 약 150만 km 떨어진 태양-지구계의 라그랑주 점 L₂ 부근 궤도에서 운영되었다. L₂ 지점은 태양과 지구의 중력이 균형을 이루어 상대적으로 안정적인 위치를 유지할 수 있으며, 태양, 지구, 달의 영향을 최소화하면서 지속적으로 심우주를 관측하기에 유리한 환경을 제공한다. WMAP은 하루에 전체 하늘의 약 30%를 스캔하고, 지구의 공전과 함께 L₂ 지점을 따라 이동하며 6개월마다 전천을 관측했다.

3. 2. 관측 궤도

WMAP 우주선은 2001년 4월 20일 케네디 우주 센터에 도착했으며, 두 달 간의 테스트를 거쳐 2001년 6월 30일 델타 II 7425 발사체에 실려 발사되었다.^[19]^[21] 발사 후 2001년 7월 2일부터 8월 17일까지 비행 중 테스트를 진행한 뒤 공식적인 관측 임무를 시작했다.^[21] 사이드로브 측정을 위해 세 번의 지구-달 위상 루프를 실행했고, 2001년 7월 30일에는 달의 중력을 이용한 스윙바이를 통해 태양-지구 라그랑주 점 L₂로 향했다.^[19] 2001년 10월 1일 L₂ 지점에 도착함으로써, WMAP은 L₂에 배치된 최초의 CMB 관측 임무가 되었다.^[19] WMAP는 지구 주위를 도는 위성이 아니라, 태양 주위를 도는 인공 행성 궤도에서 작동한다.

L₂ 지점은 지구로부터 약 150만km 떨어진 곳이며, 태양-지구 직선상에서 지구 바깥쪽에 위치한다.^[17] 이 지점에서는 태양과 지구의 중력을 합한 힘이, 우주선이 지구와 같은 주기로 태양 주위를 공전하는 데 필요한 구심력과 정확히 같아진다. 이 덕분에 L₂에 위치한 물체는 태양 및 지구와의 상대적인 위치를 안정적으로 유지할 수 있다. 우주선을 L₂에 배치하면 열적으로 매우 안정적이며, 태양, 지구, 달에서 오는 전자기파 간섭(오염)을 최소화할 수 있어 관측에 유리한 환경을 제공한다.^[17] WMAP은 L₂에서 태양, 지구, 달에 의해 시야가 가려지는 일 없이 항상 깊은 우주를 관측할 수 있다.

WMAP은 L₂ 지점 주변에서 약 1.0°에서 10° 사이의 범위를 갖는 리사주 궤도를 따라 6개월 주기로 공전한다.^[17] 관측을 위해 망원경은 2분 9초(0.464 rpm)마다 한 바퀴씩 회전하며, 동시에 시간당 1회전의 속도로 세차 운동을 수행한다.^[17] 이러한 방식으로 WMAP은 하루에 전체 하늘의 약 30%를 스캔하며, 지구가 태양 주위를 공전함에 따라 L₂ 지점도 함께 이동하므로 6개월마다 하늘 전체를 관측할 수 있다. 첫 번째 전천 관측은 2002년 4월에 완료되었다.^[20]

3. 3. 관측 전략

WMAP는 우주 마이크로파 배경 복사(CMB)의 미세한 온도 차이를 전천에 걸쳐 정밀하게 측정하여, 우주의 성질을 설명하는 여러 이론들을 검증하는 것을 목표로 했다. 탐사선 설계에서 가장 중요하게 요구된 점은 최종 CMB 지도에 포함될 수 있는 계통 오차를 최소화하는 것이었다. 구체적인 목표는 전천 CMB의 상대 온도를 0.3도 이내의 각 분해능으로 측정하고, 0.3도 사방의 픽셀당 20 μK의 감도를 달성하며, 계통 오차는 픽셀당 5 μK 이내로 억제하는 것이었다.^[40]

이러한 목표를 달성하기 위해, WMAP는 하늘의 두 지점 간 온도 차이를 측정하는 차분 마이크로파 라디오미터를 탑재했다. 관측은 지구로부터 약 150만km 떨어진 태양-지구 계의 라그랑주 점 L₂ 부근 궤도에서 이루어졌다. 이 위치는 태양, 지구, 달의 영향을 거의 받지 않고 항상 심우주를 관측할 수 있어 매우 안정적인 환경을 제공한다. L₂ 지점은 태양-지구 직선상에서 지구 바깥쪽에 위치하며, 지구와 같은 주기로 태양 주위를 공전한다. WMAP는 달의 중력을 이용한 스윙바이를 통해 L₂ 지점으로 이동했다.

WMAP는 하루에 하늘 전체의 약 30%를 스캔했으며, 지구와 함께 L₂ 지점이 태양 주위를 공전하는 것을 이용하여 6개월마다 전천을 관측했다. 또한, 우리 은하에서 오는 전경 신호를 효과적으로 제거하기 위해 22 GHz에서 90 GHz 사이의 5개 주파수 대역을 사용했다.

초기 관측 계획은 2년이었으나, 성공적인 임무 수행으로 최종적으로 8년까지 연장 운영되었다.^[41]

4. 관측 데이터 및 주요 성과

WMAP의 주요 목표는 우주 마이크로파 배경(CMB) 복사의 미세한 온도 차이, 즉 비등방성을 정밀하게 측정하는 것이었다. 이 측정을 통해 우주의 기하학적 구조, 구성 물질, 우주의 진화 과정을 파악하고, 빅뱅 이론과 우주 인플레이션 이론의 타당성을 검증하고자 했다.^[17] 이를 위해 WMAP은 하늘 전체에 걸쳐 13 분각의 해상도를 가지는 CMB 지도를 여러 주파수 대역에서 관측하여 생성했다. 이 지도는 계통 오차를 최소화하고, 픽셀 간 노이즈 상관관계를 없애며, 정확한 보정을 통해 높은 각도 정확성을 확보하는 것을 목표로 했다.^[17] 지도는 총 3,145,728개의 픽셀로 구성되며, 구면을 픽셀화하는 데 HEALPix 방식이 사용되었다.^[18] 또한, WMAP은 CMB의 E-모드 편광과^[17] 배경 편광도 측정했다.^[9]

WMAP은 우리 은하 등 가까운 천체에서 발생하는 전경 신호의 영향을 제거하고 순수한 CMB 신호를 분리하기 위해, 23 GHz부터 94 GHz까지 총 5개의 서로 다른 주파수 대역을 사용하여 관측을 수행했다.^[17] 각 주파수 대역의 주요 특징은 다음과 같다.

WMAP의 다양한 주파수에서의 속성^[17]
속성	K-대역	Ka-대역	Q-대역	V-대역	W-대역
중심 파장 (mm)	13	9.1	7.3	4.9	3.2
중심 주파수 (GHz)	23	33	41	61	94
대역폭 (GHz)	5.5	7.0	8.3	14.0	20.5
빔 크기 (분)	52.8	39.6	30.6	21	13.2
전파계 수	2	2	4	4	8
시스템 온도 (K)	29	39	59	92	145
감도 (mK s $^{1/2}$ )	0.8	0.8	1.0	1.2	1.6

관측 데이터에서 전경 오염을 제거하기 위해 여러 방법이 사용되었다. 첫째, 이미 알려진 천체의 방출 지도를 WMAP 측정값에서 빼냈다. 둘째, 각 전경 방출 요소(주로 싱크로트론 복사, 자유-자유 방출, 천체 먼지 방출)의 알려진 스펙트럼 특성을 이용하여 식별하고 제거했다. 셋째, 다른 관측 데이터를 함께 사용하여 전경 방출의 위치와 스펙트럼을 동시에 추정하고 제거했다. 또한, 전경 오염이 심한 하늘 영역은 분석에서 제외(마스킹)하는 방법을 사용하기도 했다.^[17]

서로 다른 주파수에서의 5년 치 전경 방출 모델. 빨강 = 싱크로트론, 녹색 = 자유-자유, 파랑 = 열적 먼지.
23-GHz	33-GHz	41-GHz	61-GHz	94-GHz
23 GHz	33 GHz	41 GHz	61 GHz	94 GHz

=== 3년차 데이터 분석 결과 ===

2006년 3월 17일에 공개된 3년차 WMAP 데이터는 CMB의 온도 및 편광 측정을 포함하며, 표준 평탄 ΛCDM 모형을 다시 한번 확인하고 우주 인플레이션 이론을 뒷받침하는 새로운 증거를 제시했다. 이 데이터만으로도 우주에 암흑 물질이 상당량 존재해야 한다는 결론을 내릴 수 있었다. 아래 표는 WMAP 3년차 데이터만을 사용하여 계산된 주요 우주론적 매개변수 값이다.^[25]

WMAP 3년차 결과에서 얻은 최적의 우주론적 매개변수^[25]
매개변수	기호	최적값 (WMAP만 사용)
우주의 나이 (Ga)	$t_0$	13.73 (+0.16/-0.15)
허블 상수 ( km/s/Mpc )	$H_0$	73.2 (+3.1/-3.2)
중입자 함량	$\Omega_b h^2$	0.0229 ± 0.00073
물질 함량	$\Omega_m h^2$	0.1277 (+0.0080/-0.0079)
재이온화에 대한 광학적 깊이^[a]	$\tau$	0.089 ± 0.030
스칼라 스펙트럼 지수	$n_s$	0.958 ± 0.016
8h⁻¹ Mpc에서의 변동 진폭	$\sigma_8$	0.761 (+0.049/-0.048)
텐서-스칼라 비율 ^[b]	r	< 0.65

[a] 편광 측정으로 인해 재이온화에 대한 광학적 깊이가 개선되었다.^[26]

[b] SDSS 데이터와 결합할 경우 < 0.30. 비가우스성에 대한 징후 없음.^[25]

=== 7년차 데이터 분석 결과 ===

2010년 1월 26일에 공개된 7년차 데이터는 이전 결과를 더욱 정밀하게 만들었다. 이 분석에서는 표준 모형과의 일부 불일치 가능성이 제기되었으나, 대부분 통계적으로 유의미하지 않거나 ''사후'' 선택 편향(수많은 데이터를 분석하다 보면 우연히 이상한 패턴이 발견될 수 있는 현상)에 의한 것으로 결론지어졌다. 일부 남은 편차(예: 황도 극과의 상관관계)는 아직 명확히 설명되지 않았으며, 빔 형태 측정의 불확실성이나 다른 미세한 기기적, 분석적 문제일 가능성이 제기되었다.^[29]

7년차 데이터 분석 결과, 우주의 총 에너지 밀도 구성은 다음과 같이 더욱 명확해졌다.

암흑 에너지: 72.8% (± 1.6%)
암흑 물질: 22.7% (± 1.4%)
보통 물질(원자 등): 4.56% (± 0.16%)

아래 표는 WMAP 7년차 데이터만 사용한 결과와, 다른 관측(BAO, H₀) 결과를 결합하여 얻은 최적의 우주론적 매개변수 값이다.^[30]

WMAP 7년차 결과에서 얻은 최적 우주론적 매개변수^[30]
매개변수	기호	최적값 (WMAP만)	최적값 (WMAP + BAO^[31] + H₀^[32])
우주의 나이 (기가년)	$t_0$	13.75 ± 0.13	13.75 ± 0.11
허블 상수 ( km/s/Mpc )	$H_0$	71.0 ± 2.5	70.4 (+1.3/-1.4)
바리온 밀도	$\Omega_b$	0.0449 ± 0.0028	0.0456 ± 0.0016
물리적 바리온 밀도	$\Omega_b h^2$	0.02258 (+0.00057/-0.00056)	0.02260 ± 0.00053
암흑 물질 밀도	$\Omega_c$	0.222 ± 0.026	0.227 ± 0.014
물리적 암흑 물질 밀도	$\Omega_c h^2$	0.1109 ± 0.0056	0.1123 ± 0.0035
암흑 에너지 밀도	$\Omega_\Lambda$	0.734 ± 0.029	0.728 (+0.015/-0.016)
8h⁻¹ Mpc에서의 변동 진폭	$\sigma_8$	0.801 ± 0.030	0.809 ± 0.024
스칼라 스펙트럼 지수	$n_s$	0.963 ± 0.014	0.963 ± 0.012
재이온화 광학적 깊이	$\tau$	0.088 ± 0.015	0.087 ± 0.014
*우주의 총 밀도	$\Omega_{tot}$	1.080 (+0.093/-0.071)	1.0023 (+0.0056/-0.0054)
*텐서-스칼라 비, k₀ = 0.002 Mpc⁻¹	r	< 0.36 (95% CL)	< 0.24 (95% CL)
*스펙트럼 지수의 변화, k₀ = 0.002 Mpc⁻¹	$dn_s / d\ln k$	-0.034 ± 0.026	-0.022 ± 0.020
참고: * = 확장 모델에 대한 매개변수 (매개변수는 람다-CDM 모형으로부터의 편차에 대한 제한을 둔다)^[30]

WMAP의 서로 다른 주파수에서 전경을 제거한 7년차 지도
23-GHz	33-GHz	41-GHz	61-GHz	94-GHz
23-GHz	33-GHz	41-GHz	61-GHz	94-GHz

=== 주요 성과 요약 ===

WMAP 관측 데이터는 빅뱅 이후 약 37만 5천 년이 지난 시점의 우주 모습을 보여주는 상세한 우주 마이크로파 배경 지도를 제공했다. 이 지도는 우주가 극도로 균일했음을 보여주지만(평균 온도 2,700 대비 약 10만분의 5 수준의 미세한 온도 차이), 지역적인 온도 변화(지도상의 붉은색은 평균보다 뜨거운 지역, 푸른색은 차가운 지역)를 정밀하게 측정함으로써 우주론 연구에 획기적인 기여를 했다.

WMAP 데이터를 통해 얻어진 주요 결과는 다음과 같다.

우주의 나이: 약 137.7억 년으로 매우 정밀하게 측정되었다 (7년차 데이터 기준 13.75 ± 0.11억 년).^[30]
우주의 구성: 우주는 보통 물질 약 4.6%, 정체불명의 암흑 물질 약 22.7%, 그리고 암흑 에너지 약 72.8%로 구성되어 있음을 밝혔다 (7년차 데이터 기준).^[30] 이는 Λ-CDM 모형을 강력하게 지지하는 결과이다.
허블 상수: 우주의 팽창률을 나타내는 허블 상수는 약 70.4 (+1.3/-1.4) km/s/Mpc로 측정되었다 (7년차 데이터 + 외부 데이터 결합).^[30]^[31]^[32]
우주 인플레이션: 관측 결과는 초기 우주 급팽창 이론인 인플레이션 시나리오와 잘 일치함을 보여주었다. 다만, 매우 큰 각도 스케일에서는 이론과 약간의 불일치가 관측되기도 했다.
우주의 재이온화 시기: CMB 편광 관측을 통해 빅뱅 이후 최초의 별과 은하들이 형성되어 우주를 다시 이온화시킨 시기를 추정했다. 1차년도 분석에서는 적색편이 z=20 (빅뱅 후 약 2억 년)으로 추정되었으나, 3차년도 분석에서는 z=11 (빅뱅 후 약 4억 년)로 수정되었고, 7년차 분석에서는 광학적 깊이 $\tau$ = 0.087 ± 0.014 로 더욱 정밀해졌다.^[30]
우주의 운명: WMAP 데이터와 현재 우주 모형을 종합하면, 우리 우주는 앞으로 영원히 팽창할 것으로 예측된다.

5. 후속 연구 및 영향

윌킨슨 마이크로파 비등방성 탐색기(WMAP)는 우주 마이크로파 배경(CMB) 복사의 미세한 온도 차이, 즉 비등방성을 전례 없는 정밀도로 측정하는 데 성공했다. WMAP의 관측 데이터는 빅뱅 우주론과 우주 인플레이션 이론을 검증하고, 우주의 나이, 기하학적 구조, 구성 성분(암흑 물질, 암흑 에너지 등)과 같은 주요 매개변수를 높은 정확도로 결정하는 데 결정적인 기여를 했다.^[17]

WMAP이 제공한 고해상도 CMB 전천 지도는 이후 우주론 연구의 중요한 기준점이 되었으며, 이는 유럽 우주국(ESA)의 플랑크 위성과 같은 더욱 정밀한 관측을 목표로 하는 후속 연구 프로젝트들의 발판을 마련했다. WMAP의 성공적인 임무 수행과 그 결과는 현대 정밀 우주론의 발전에 큰 영향을 미쳤다.

5. 1. 플랑크 위성

CMB 결과를 COBE, WMAP 및 플랑크 비교 - 2013년 3월 21일

유럽 우주국(ESA)의 플랑크 위성은 2009년부터 2013년까지 CMB를 측정했다. 플랑크의 주요 목표는 WMAP보다 더 높은 해상도와 감도로 관측하여, WMAP의 측정값을 총 강도와 편광 모두에서 개선하는 것이었다.

2013년 3월 21일, 플랑크 연구팀은 임무 수행 기간 동안 얻은 전체 하늘에 대한 CMB 지도를 공개했다.^[34]^[35] 이 지도는 우주가 이전에 생각했던 것보다 약간 더 오래되었음을 시사했다. 지도에 나타난 미묘한 온도 변화는 우주가 약 37만 년 되었을 때 하늘에 새겨진 흔적으로, 이는 빅뱅 이후 약 10⁻³⁰초 시점에 발생한 초기 우주의 밀도 요동을 반영한다. 이러한 초기 요동이 현재 관측되는 은하단과 암흑 물질로 이루어진 거대한 우주 구조의 씨앗이 되었다고 여겨진다. 2013년 발표된 데이터에 따르면, 우주는 4.9%의 일반 물질(바리온), 26.8%의 암흑 물질, 68.3%의 암흑 에너지로 구성되어 있다.

2015년 2월 5일에는 플랑크 임무의 업데이트된 데이터가 공개되었다. 이 데이터에 따르면 우주의 나이는 137.99 ± 0.021 억 년이고, 허블 상수는 67.74 ± 0.46 (km/s)/Mpc로 측정되었다.^[36] 이는 WMAP의 결과보다 더욱 정밀한 값이다.

플랑크 외에도 여러 지상 및 기구를 이용한 장비들이 CMB 관측에 기여했으며, 특히 우주 급팽창 이론의 증거가 될 수 있는 B-모드 편광을 탐색하는 실험들이 활발히 진행 중이다. 대표적인 실험으로는 EBEX(2012-2013년 기구 실험), 스파이더, BICEP 및 켁 배열, QUIET, CLASS, SPTpol 등이 있다. WMAP보다 정밀한 관측을 목표로 한 다른 실험으로는 클로버(CLOVER, 2009년 중단)와 미래의 우주 탐사선인 LiteBIRD(2020년대 계획) 등이 있다.

5. 2. 기타 관측 실험

플랑크(Planck) 우주선은 2009년부터 2013년까지 우주 마이크로파 배경(CMB)를 측정했으며, WMAP에서 얻은 측정값을 총 강도와 편광 모두에서 개선하는 것을 목표로 했다. 2013년 3월 21일, 플랑크 연구팀은 임무의 전천공 CMB 지도를 공개했는데,^[34]^[35] 이 지도는 우주가 이전에 생각했던 것보다 약간 더 오래되었음을 시사했다. 2015년 2월 5일 공개된 플랑크 임무의 새로운 데이터에 따르면, 우주의 나이는 137.99 ± 0.021 억 년이고, 허블 상수는 67.74 ± 0.46 (km/s)/Mpc로 측정되었다.^[36]

WMAP과 플랑크 외에도 다양한 지상 및 기구 기반 장비들이 CMB 연구에 기여했으며, 새로운 장비들도 계속 건설되고 있다. 많은 장비들은 급팽창 이론의 중요한 증거인 원시 중력파가 남긴 B-모드 편광을 탐색하는 것을 주요 목표로 삼고 있다.

다음은 WMAP 이후 정밀도와 분해능을 높여 CMB를 관측했거나 관측할 예정인 주요 실험들이다.

주요 CMB 관측 실험 (WMAP 이후)
실험명	종류	운영 기간/상태	주요 목표
클로버(CLOVER)	지상 (전파 망원경)	2009년 중지	B-모드 편광
플랑크(Planck)	우주 탐사선	2009년 – 2013년	CMB 온도 및 편광 정밀 측정
EBEX	기구	2012년 – 2013년	B-모드 편광
스파이더(Spider)	기구	진행 중	B-모드 편광
BICEP 및 켁 배열	지상 망원경	진행 중	B-모드 편광
QUIET	지상 망원경	운영 완료	B-모드 편광
CLASS	지상 망원경	진행 중	B-모드 편광 (대규모 각도)
SPTpol (남극 망원경 편광계)	지상 망원경	진행 중	B-모드 편광
라이트버드	우주 탐사선	2020년대 발사 예정	B-모드 편광

참조

_[1] 웹사이트 WMAP News: Events Timeline https://map.gsfc.nas[...]
_[2] 서적 Beyond Earth: A Chronicle of Deep Space Exploration, 1958–2016 https://www.nasa.gov[...] NASA History Program Office
_[3] 웹사이트 WMAP News: Events Timeline http://map.gsfc.nasa[...] NASA 2010-12-27
_[4] Nasa NASA.gov https://map.gsfc.nas[...]
_[5] 웹사이트 Wilkinson Microwave Anisotropy Probe: Overview http://lambda.gsfc.n[...] Goddard Space Flight Center 2009-08-04
_[6] 웹사이트 Tests of Big Bang: The CMB http://map.gsfc.nasa[...] Goddard Space Flight Center 2009-07
_[7] 서적 Guinness World Records 2010: Thousands of new records in The Book of the Decade! https://archive.org/[...] Bantam Books
_[8] 웹사이트 Astrophysics and Cosmology http://pdg.lbl.gov/2[...] Review of Particle Physics
_[9] 문서 Hinshaw et al. (2009)
_[10] 문서 Seife (2003)
_[11] 웹사이트 "Super Hot" Papers in Science http://www.unafold.o[...] unafold 2005-10
_[12] 웹사이트 Announcement of the Shaw Laureates 2010 http://www.shawprize[...]
_[13] 뉴스 Mission Complete! WMAP Fires Its Thrusters For The Last Time https://www.seeker.c[...] Discovery News 2010-10-07
_[14] 웹사이트 New 'Baby Picture' of Universe Unveiled http://www.space.com[...] Space.com 2012-12-21
_[15] 간행물 Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Final Maps and Results 2013
_[16] 간행물 Bayesian Power Spectrum Analysis of the First-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Data
_[17] 문서 Bennett et al. (2003a)
_[18] 문서 Bennett et al. (2003b)
_[19] 웹사이트 WMAP News: Facts http://map.gsfc.nasa[...] NASA 2008-04-22
_[20] 웹사이트 WMAP News: Events http://map.gsfc.nasa[...] NASA 2008-04-17
_[21] 문서 Limon et al. (2008)
_[22] 웹사이트 Experiment: Pseudo-Correlation Radiometer https://nssdc.gsfc.n[...] NASA 2021-10-28
_[23] 웹사이트 New image of infant universe reveals era of first stars, age of cosmos, and more http://www.gsfc.nasa[...] NASA / WMAP team 2003-02-11
_[24] 문서 Spergel et al. (2003)
_[25] 문서 Spergel et al. (2007)
_[26] 문서 Hinshaw et al. (2007)
_[27] 웹사이트 WMAP reveals neutrinos, end of dark ages, first second of universe http://map.gsfc.nasa[...] NASA / WMAP team 2008-03-07
_[28] 문서 WMAP 1-year Paper Figures
_[29] 간행물 Seven-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Are There Cosmic Microwave Background Anomalies?
_[30] 웹사이트 Seven-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Sky Maps, Systematic Errors, and Basic Results http://lambda.gsfc.n[...] NASA
_[31] 간행물 Baryon Acoustic Oscillations in the Sloan Digital Sky Survey Data Release 7 Galaxy Sample 2010-02
_[32] 웹사이트 A Redetermination of the Hubble Constant with the Hubble Space Telescope from a Differential Distance Ladder http://hubblesite.or[...] hubblesite.org
_[33] 문서 Hinshaw, et al., 2013
_[34] 웹사이트 Planck Mission Brings Universe Into Sharp Focus http://www.jpl.nasa.[...] NASA 2013-03-21
_[35] 뉴스 Mapping the Early Universe https://www.nytimes.[...] 2013-03-21
_[36] 논문 Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters
_[37] 문서 Bennett et al. (2003a)
_[38] 문서 Limon et al. (2008)
_[39] 웹사이트 WMAP News: Facts https://map.gsfc.nas[...] NASA 2008-04-22
_[40] 간행물 小松英一郎が語る絞られてきたモデル日経サイエンス社
_[41] 뉴스 NASA'S WMAP Project Completes Satellite Operations Mission Observed Universe's Oldest Light http://www.nasa.gov/[...]

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