Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

Вскоре после запуска «Телстара-1» холмделский радиотелескоп оказался не у дел — впрочем, ненадолго. В 1961 г. директор Лаборатории радиоисследований Руди Компфнер принял на работу аспиранта Колумбийского университета радиоастронома Арно Пензиаса, которому тогда оставался год до защиты докторской диссертации. По условиям контракта Пензиас мог половину рабочего времени тратить на исследования по своей специальности, а половину — на выполнение программ Лаборатории. Сначала он действительно помогал коллегам-радиоинженерам, а позднее смог заняться собственными проектами. Фактически с этого времени Пензиасу (к слову, уроженцу Мюнхена, в шестилетнем возрасте вместе с братом вывезенному в Англию по программе эвакуации еврейских детей, а потом вместе с родителями приехавшему в Нью-Йорк) была предоставлена свобода в выборе темы исследований.

В начале 1963 г. Компфнер нанял еще одного радиоастронома, 27-летнего техасца Роберта Вудро Вильсона, получившего докторскую степень в Калтехе. В это время на 60-см рефлекторе уже не вели работ по спутниковой связи, так что Пензиас и Вильсон смогли воспользоваться им для радиоастрономических наблюдений. Сначала они адаптировали установку для этих нужд, что потребовало немалых усилий. Им предстояло сконструировать и изготовить новый радиометр с малошумящим мазерным усилителем на 7,35 см и провести детальные измерения чувствительности антенны, поскольку без этого было невозможно настроить и откалибровать аппаратуру телескопа. Пензиас и Вильсон хотели измерить интенсивность нескольких известных радиоисточников, а затем приступить к сканированию радиоизлучения нашей Галактики. Для этого они решили определить яркость излучений, приходящих на частоте 4,080 ГГц не с богатого звездами диска Млечного Пути, а из обширных пустот галактического гало, охватывающего весь небосвод. Теория утверждала, что их генерируют релятивистские электроны, движущиеся по искривленным траекториям в магнитных полях на периферии Галактики (такое излучение называется синхротронным). Ожидаемая интенсивность лучевого фона галактического гало была крайне мала, порядка 0,1° при измерении в тепловых единицах. Однако для прецизионной калибровки аппаратуры необходимо было ее точно определить.

Не стоит перечислять все переделки радиотелескопа, осуществленные Пензиасом и Вильсоном. Однако упомяну самую интересную: телескоп снабдили эталонным источником теплового шума, который охлаждался жидким гелием, так называемой холодной нагрузкой. Экспериментаторы регулярно отсоединяли радиометр от антенны и подключали к этому источнику, что уменьшало ошибки измерений. Модернизация телескопа во всех деталях описана в нобелевской лекции Вильсона, которая доступна в русском переводе [53] УФН. Т. 129, вып. 4 (декабрь 1979 г.). С. 595–613. .

В мае 1964 г. эти работы закончились, и Пензиас с Вильсоном вплотную приступили к наблюдениям, которые продолжались до поздней осени. К концу года они окончательно убедились, что калибровка телескопа по излучению галактического гало дала не просто неожиданный, а прямо-таки парадоксальный результат. На частоте 4,080 ГГц эффективная температура антенны оказалась на 3,5 K выше, чем предполагалось. Полная измеренная температура в зените составила 6,7 K, из которых 2,3 K экспериментаторы объяснили шумом от атмосферных источников. Уровень антенного шума, связанный с омическим сопротивлением системы, они оценили в 0,8 ± 0,4 K. Загадочный избыток в 3,5 K был измерен с возможной погрешностью всего в 1 K и, следовательно, вполне реален. Природу этого феномена они, конечно, не знали.

Нужно было решить, что же делать с этим парадоксом. Как много лет спустя вспоминал Пензиас, они опасались публиковать свои выводы в отдельной статье — просто из элементарной осторожности. «В те годы немалая часть радиоастрономической литературы была набита всяческими неточностями, и мы хотели избежать риска, что нашу первую совместную публикацию назовут стопроцентно ошибочной. Поэтому решили просто включить раздел об измерении избыточной температуры в одну из статей, над которыми тогда работали. Однако тут-то и вмешалась судьба» [54] Finding the Big Bang, Cambridge University Press, 2009, p. 150. .

Судьба явила свою волю на сессии Американского астрономического общества, которая в декабре собралась в Монреале. Пензиас встретил там руководителя радиоастрономической секции вашингтонского Института Карнеги Бернарда Бёрка, с которым поделился только что полученными результатами. В конце февраля Бёрк телефонным звонком оповестил Пензиаса, что какой-то «парень из Принстона» придумал теорию, предсказывающую чернотельное фоновое излучение с температурой 10 K. Этим «парнем», конечно, был Пиблз. Через несколько дней Бёрк прислал Пензиасу копию препринта статьи Пиблза, чем сильно поднял его настроение. Как вспоминал Пензиас, он «был счастлив обнаружить теоретическое объяснение нашего странного феномена, хотя вовсе не был уверен, что описанная в статье модель обязательно верна» [55] Там же. .

Пензиас прекрасно понимал, что промедление подобно смерти — точнее, потере приоритета. Он телефонным звонком пригласил Дикке с сотрудниками приехать в Холмдел, чтобы на месте ознакомиться с радиотелескопом и протоколами наблюдений. Через несколько дней Дикке, Ролл и Вилкинсон воспользовались этим приглашением, а чуть позже Пензиас и Вильсон сделали ответный визит и осмотрели радиометр принстонской группы. В итоге обе команды уверились в реальности открытия. Пензиас предложил коллегам написать о нем совместную статью, однако Дикке решительно выступил за раздельные сообщения. Так они и были опубликованы [56] Dicke, R. H. Peebles, P. J. E. Roll, P. G. Wilkinson, D. T. Cosmic Black-Body Radiation // Astrophysical Journal (1965), 142: 414–419; Penzias A. A. and Wilson, R. W. A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 MHz // Astrophysical Journal (1965), 142: 419–421. и в этом виде вошли в историю науки. Работа Пензиаса и Вильсона в 1978 г. принесла им Нобелевскую премию по физике; спустя 41 год эту награду получил и Джеймс Пиблз. К сожалению, шведские академики не удостоили Роберта Дикке этой высшей научной почести, которую он бесспорно заслуживал.

Статья радиоастрономов из Холмдела объемом в 600 слов уместилась меньше чем на полутора журнальных страницах. Из всех работ, когда-либо удостоенных Нобелевской премии, она по краткости стоит на втором месте после заметки Уотсона и Крика о структуре молекулы ДНК. В ней нет ни слова ни о модели Большого взрыва, ни о космологии. Представлены лишь обработанные авторами результаты «измерений эффективной температуры зенитного шума 20-футовой рупорной антенны», на которой они работали, причем без дополнительных комментариев. Авторы даже не утверждали, что выявленное ими остаточное излучение с температурой 3,5 K носит чернотельный характер. Они ограничились указанием, что оно изотропно, неполяризовано и не демонстрирует сезонных изменений. Однако этот результат сам по себе содержал намек на чернотельность, поскольку лишь в этом предположении температура электромагнитного излучения имеет однозначный физический смысл. Полный спектр реликтового излучения был промерен много позже с помощью спутников; пик его интенсивности приходится на волны длиной чуть больше 1 мм, не проникающие сквозь земную атмосферу. Первооткрыватели зарегистрировали только его длинноволновой хвост, что не помешало им правильно понять характер спектра.