Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

Существование реликтового излучения было предсказано и в СССР. В начале 1964 г. ученики академика Зельдовича Андрей Дорошкевич и Игорь Новиков на основе горячей модели показали, что космическое пространство должно быть заполнено планковскими фотонами с температурой от одного до десяти кельвинов [51] Дорошкевич А. Г., Новиков И. Д. Средняя плотность излучения в метагалактике и некоторые проблемы релятивистской космологии // ДАН СССР (1964), 154: 809–811. . Они особо отметили, что это предсказание должно стать ключевым тестом для модели Большого взрыва. И даже сослались на эксперименты с рупорной антенной, выполненные в начале 1960-х гг. специалистами корпорации Bell (о них ниже), как на средство проведения таких измерений. Конкретно — они отметили, что «дополнительные измерения в этой области… помогут окончательно решить вопрос о справедливости теории Гамова». Это предвидение оказалось совершенно правильным, поскольку Пензиас и Вильсон работали на радиотелескопе с такой же антенной. К сожалению, замечательная статья Дорошкевича и Новикова, которая вскоре появилась в английском переводе, тогда не привлекла того внимания специалистов, которого бесспорно заслуживала.

Нередко говорят, что открытие реликтового излучения было делом случая. Если это и верно, то лишь отчасти. Правда состоит в том, что Пензиас и Вильсон вели наблюдения на лучшем в мире приборе, с помощью которого можно было обнаружить микроволновой фон Вселенной. В 1964 г. они пустили его в ход для выполнения собственной программы радиоастрономических исследований. Хотя они не имели ни малейшего представления о публикациях гамовской группы и, естественно, не искали предсказанное Альфером и Германом излучение, его детектирование было только делом времени. Подтверждением этого служит тот факт, что после публикации результатов Пензиаса и Вильсона другие ученые без проблем регистрировали реликтовое излучение с помощью менее чувствительной аппаратуры.

С чего же все началось? В конце 1950-х гг. NASA запланировало первый в мире эксперимент по отработке технологии космической связи на сантиметровых и дециметровых волнах. В рамках этого проекта, названного «Эхо» (Echo), в следующем десятилетии на околоземные орбиты высотой чуть больше 1500 км запустили два раздувающихся 30-метровых баллона из металлизированной полиэфирной пленки, хорошо отражающей радиосигналы. Хотя впоследствии специалисты NASA сделали выбор в пользу спутников с активными ретрансляторами, проект «Эхо» дал ценную информацию о верхних слоях земной атмосферы и распространении радиоволн.

В эксперименте «Эхо» приняли участие сотрудники Белловской лаборатории радиоисследований (Bell Radio Research Laboratory), расположенной неподалеку от городка Холмдел в штате Нью-Джерси. Специально для этой цели Артур Кроуфорд, Эдвард Ом и их коллеги заранее спроектировали и построили установку, приспособленную под прием сигналов, отраженных от спутника «Эхо-1» (Echo 1), выведенного на орбиту 12 августа 1960 г. Она была оснащена алюминиевой рупорной антенной с апертурой 60 × 60 см, которая работала как волновод, направляющий пришедшие из космоса сигналы на параболический рефлектор. Сфокусированные микроволны частотой 2,39 ГГц (длина 12,6 см) попадали в радиометр, оснащенный усилителем, использующим рубиновый мазер бегущей волны, охлаждаемый жидким гелием. Этот прибор почти не загрязнял систему собственным тепловым шумом и потому мог использоваться для усиления весьма слабых внешних сигналов. Иначе говоря, радиометр, работающий в блоке с таким усилителем, обладал очень высокой чувствительностью. После многомесячных измерений в июле 1961 г. возглавляемые Омом сотрудники лаборатории опубликовали полученные результаты. Эта была именно та статья, на которую три года спустя сослались Дорошкевич и Новиков.

Чтобы понять ее место на пути к открытию реликтового излучения, необходимо кое-что уточнить. Космические источники радиоволн производят хаотический тепловой шум, который почти неотличим от шума обычного резистора, нагретого электрическим током. По этой причине калибровку приемного устройства радиотелескопа часто проводят в тепловых единицах. Хотя мощность шума, который приходит на радиометр от антенны, можно фиксировать в децибелах, на практике ее удобнее выразить через температуру условного резистора, который посылал бы на радиометр шум такой же мощности. Именно в такой форме представили свои результаты Эдвард Ом и его коллеги [52] Ohm, E. A. Receiving System // Bell System Technical Journal (1961), 40(4): 1065–1094. .

Перед получением и обработкой сигналов от спутника радиоинженеры из группы Ома провели тщательную калибровку своей установки на той же рабочей частоте 2,39 ГГц. Для этого они измерили суммарный уровень шума от антенны, атмосферы и наземных источников, который составил 18,9 ± 3,0 K. Когда же антенна была направлена в зенит, она регистрировала микроволновое излучение, эквивалентное излучению черного тела с температурой 22,2 ± 2,2 K. Если бы измерения были совершенно точными, можно было бы утверждать, что из космоса на этой частоте приходит избыточное излучение с температурой 22,2–18,9 = 3,3 K. Однако учет ошибок измерений приводил к заключению, что величина этой температуры равна 3,3 ± 3,7 K. Получалось, что погрешность в определении температуры гипотетического космического излучения превышала ее измеренное значение! Поэтому Ом и его коллеги заявили, что, если даже космический микроволновой фон и существует, их установка не позволяет его надежно детектировать.

Вполне возможно, что они упустили великое открытие. Позднейший анализ их данных показал, что реальные погрешности измерений, скорее всего, были меньше заявленных. Если бы Ом и его коллеги не высказались столь категорично, другие специалисты (уже не инженеры, а астрономы) могли бы прийти к выводу, что из космоса приходит микроволновое излучение чернотельного типа. Дорошкевич и Новиков глядели буквально в корень, когда отметили, что наблюдения на радиотелескопах с приемниками микроволнового излучения, а также с помощью аппаратуры на искусственных спутниках «помогут окончательно решить вопрос о справедливости теории Гамова». В конечном счете именно так и произошло, причем всего через год после публикации их статьи.

После завершения работ по спутнику «Эхо-1» радиотелескоп в Холмделе был модифицирован. 10 июля 1962 г. NASA запустило 77-килограммовый спутник «Телстар-1» (Telstar 1), на котором впервые в мире была установлена приемо-передающая аппаратура для активной ретрансляции телевизионных изображений и телефонных переговоров. Этот эксперимент оказался очень успешным, именно с него началось межконтинентальное телевидение («Телстар-1» позволял осуществлять телефонную связь по 60 каналам или ретранслировать одну телепрограмму). Хотя для работы с новым спутником в Северной Америке и в Европе были построены специальные установки с антеннами большого диаметра, холмделская 60-сантиметровая установка тоже была задействована в предварительных экспериментах. Для этого ее приемник, настроенный на длину волны 12,6 см, заменили на 7,35-сантиметровый, поскольку на этой волне (частота 4,080 ГГц) работал «Телстар-1». Новый радиометр, как и прежний, был оснащен мазерным криогенным усилителем.