Приямвада Натараджан - Карта Вселенной [Главные идеи, которые объясняют устройство космоса]

Пензиас и Вильсон использовали антенну в Крофорд-Хилл в качестве телескопа, изучая на небе источники излучения не в оптическом диапазоне, а в области радиоволн. Радиочастотное излучение представляет собой часть всего спектра электромагнитных волн (куда входит и область видимого света) с длинами волн от нескольких миллиметров до примерно десяти метров. Такие волны могут проникать в земную атмосферу и распространяться в ней без отражения и затухания. Радиоволны были открыты Генрихом Герцем еще в 1887 г., а в 1930-х гг. Карлу Янски удалось первым зарегистрировать радиоизлучение, приходящее из центра нашей Галактики при помощи длинной антенны, построенной им в Холмделе (штат Нью-Джерси). Астрономическое научное сообщество до этого пользовалось лишь оптической аппаратурой — линзами и спектрографом — и поэтому не оценило сразу новое окно во Вселенную. Однако после Второй мировой войны, когда был изобретен радар (слово «радар» представляет собой акроним английского выражения radio detection and ranging — «радиообнаружение и измерение дальности»), большое число физиков и инженеров, которые разрабатывали оборудование и обучали им пользоваться, увидели возможности нового инструмента для исследований в астрономии. Это подогрело интерес к поиску большего числа космических радиоисточников.

Телескоп в Крофорд-Хилл, на котором работали Пензиас и Вильсон, имел очень чувствительный приемник радиосигналов (соединенный через усилитель) с коммуникационной системой Echo, созданной фирмой Bell Labs в 1960 г. Система принимала сигналы, отраженные от двух больших металлических шаров, поднятых в верхние слои атмосферы, и позволяла передавать эти сигналы на большие расстояния. Ко времени, когда Пензиас и Вильсон приступили к своим измерениям, систему перестали применять по прямому назначению, так как коммуникации осуществлялись посредством спутников, а антенны радиотелескопа использовались для улавливания особо слабых сигналов, приходящих от потенциальных космических источников. Телескоп в Крофорде был настроен на частоту 4,989 МГц, что было очень удобно для измерений в микроволновом диапазоне. Для того чтобы найти и выделить предельно слабые радиосигналы, ожидаемые от еще не обнаруженных астрономических объектов на таких частотах, Пензиас и Вильсон должны были прежде всего исключить все возможные источники помех, которые могли мешать их регистрации.

Несмотря на все усилия, Пензиасу и Вильсону никак не удавалось идентифицировать и изолировать фоновые шумы, постоянно возникающие и регистрируемые их чувствительной аппаратурой. В качестве источника помех сигналов они рассматривали и изучали излучение Земли, колебания молекул в верхних слоях атмосферы, влияние работы элементов установки и даже помет двух голубей, свивших гнездо на антенне. Помехи продолжали возникать независимо от сезона и направленности антенны, что ставило исследователей в тупик. Они никак не могли выяснить причину шумов и, следовательно, не могли ничего предпринять для их устранения. Однородный в пространстве и по времени шум казался равномерно распределенным по небосводу и не имел выделенной направленности. Температурный эквивалент этого слабого радиоизлучения составлял примерно 3 °К.

Вернувшись с астрофизической конференции в декабре 1964 г., Пензиас обсудил проблему этого постоянного шумового излучения с коллегой-радиоастрономом Бернардом Берком, который показал ему статью молодого теоретика Джеймса Пиблса {11} , работавшего в Принстоне под руководством Роберта Дикке. Родившийся в 1916 г., Дикке считался авторитетным и многосторонним исследователем, причем пользовался мировой известностью и как экспериментатор, и как теоретик, заслужив эту репутацию в годы войны, когда работал в Радиационной лаборатории MIT. Он был энергичным и красноречивым человеком, с одинаковым успехом умевшим проектировать и создавать электронные схемы и решать сложные математические уравнения. Кстати, ему почти удалось создать лазер. В 1958 г. Чарльз Таунс и его сводный брат Артур Шавлов подали патентную заявку на изобретение мазера (слово «мазер» возникло из акронима «microwave amplification by stimulated radiation», что означает «усиление микроволн стимулированным излучением»). В этой связи можно напомнить, что двумя годами раньше, в 1956 г., Дикке получил патент на очень похожее устройство, которое, однако, работало в другом диапазоне волн (инфракрасный лазер). Предложенное Таунсом и Шавловым устройство могло действовать в значительно более широком диапазоне волн, в отличие от прибора Дикке, который был ограничен инфракрасным диапазоном. Таким образом, несмотря на полученный патент в 1958 г., большая часть славы изобретения лазера не досталась Дикке. Причем этот случай не единственный в его биографии, когда он оказывался очень близко к великому открытию.

Дикке удалось независимо от других предсказать существование всепроникающего фонового микроволнового излучения, и он настойчиво вдохновлял своего протеже в Принстоне, Пиблса, на проведение дальнейших детальных расчетов в этом направлении. В контексте используемой им модели горячего Большого взрыва Пиблс рассчитал, как исходный огненный шар, из которого началась Вселенная, породил реликтовый фон радиоволн. Этот отпечаток Большого взрыва, как он считал, однородно заполнил все пространство Вселенной и приобрел устойчивую и обнаружимую температуру, равную примерно 10 °К и «даже ниже 3,5 °К» {12} . Он также отметил, что реликтовое излучение будет казаться постоянным шипением для чувствительного радиотелескопа. Пиблсу и Дикке было неизвестно о существовании расчетов и предсказаний Гамова, Альфера и Германа в публикациях 1940-х гг., так что они фактически повторно открыли реликтовое излучение.

В то самое время, когда Пензиас и Вильсон ломали голову над происхождением странных помех, регистрируемых их установкой, а Пиблс и Дикке размышляли о реликтовом излучении, в их соперничество вмешались два русских физика. Игорь Новиков и Андрей Дорошкевич прочли статьи группы Гамова, перепроверили полученные в них результаты и также сделали ряд конкретных наблюдательных прогнозов по детектированию фонового излучения, реликта Большого взрыва. Несмотря на то что они были теоретиками, им удалось оценить возможности регистрации предсказываемых слабых сигналов. В 1964 г. они опубликовали короткую статью в советском журнале «Доклады Академии наук» [26], в которой заявили, что предсказываемый Альфером, Германом и Гамовым микроволновой радиофон может быть детектирован и что для этой цели по своим техническим характеристикам идеально подходит чувствительный радиотелескоп именно в Крофорде (Холмдел). Разумеется, как и следовало ожидать, Пензиас и Вильсон (увы) ничего не знали о статье в «Докладах», поскольку связь между учеными США и СССР в те годы была малоактивной и неэффективной. Кроме того, как обычно, сыграла свою роль и вечная вражда между теоретиками, наблюдателями и экспериментаторами.