Космос. Иллюстрированная история астрономии и космологии - Джон Норт

то есть до начала расширения. В 1948 г. Гамов указал на то, что, согласно общей теории относительности, Вселенная никогда не пребывала в стационарном высокотемпературном состоянии. Вместо этого, согласно его предположению, формирование элементов и возникновение излучения произошло на ранней стадии крайне стремительного расширения. Затем следовала теория формирования галактик. Совместно со своими сотрудниками он рассчитал: плотность излучения на этой ранней стадии во много раз превосходила плотность вещества, однако Гамов не рассматривал возможность того, что эхо этой фазы способно дойти до наших дней в виде остаточного излучения.

Как уже говорилось в предыдущей главе, в 1949 г. Альфер и Херман, рассмотрев вероятное изменение температуры на протяжении всего времени жизни Вселенной, предсказали, что температура общего фонового излучения должна составлять 5 K. (Подробности этого прогноза см. выше на с. 874.) На сегодняшний день, как они отметили, не существует убедительных наблюдательных данных о современной плотности всего излучения. Спустя четыре года в классическом исследовании, проведенном совместно с Дж. У. Фоллином, они расширили свою работу, охарактеризовав физические состояния Вселенной на первых стадиях расширения, но не подвергли ревизии свои более ранние вычисления; спустя некоторое время это сделали советские астрономы А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков, придя к выводу, что современная температура фонового излучения, заполняющего Вселенную, близка к нулю.

Идеи Гамова получили незначительное, но все же определенное развитие, однако было бы ошибкой считать, будто он представлял все астрономическое сообщество, захваченное единой и ясной целью, или что каждый, кто работал в этой области, приходил к таким же выводам. В 1950 г. Т. Хаяши выступил с критикой идеи Гамова; согласно его расчетам, в течение первых двух секунд расширения Вселенной ее температура превышала порог образования электронно-позитронных пар. Другие расчеты показывали, что хотя на первой стадии есть условия для образования гелия, формирование более тяжелых элементов, если следовать подходу Гамова, окажется невозможным. В довершение всего вскоре стали успешно развиваться теории возникновения элементов внутри звезд, и этот очевидный факт привел к почти повсеместному забвению теорий Гамова. Его работе было суждено пережить второе рождение, как и фоновому излучению, являющемуся одной из его неотъемлемых частей.

Что можно сказать об экспериментальной стороне этого вопроса? В 1950‐х гг. несколько французских и российских радиоастрономов сообщили о регистрации фона, который не мог быть вызван аппаратурными эффектами. К концу того же десятилетия в лабораториях компании «Белл» (США), главным образом в Холмделе (штат Нью-Джерси), был разработан план создания телекоммуникационных спутников. Удалось провести предварительные испытания с очень слабым сигналом, отраженным от стратостата, что потребовало создания системы с очень низким уровнем шума. Использовался так называемый мазер бегущей волны, работающий при очень низкой температуре (жидкого гелия) и 6‐метровый рупорно-параболический отражатель, немного напоминающий бараний рог, но с квадратными гранями. (О мазере мы еще поговорим в следующем разделе.) Хотя по радиоастрономическим стандартам того времени размер этого оборудования был небольшим, оно позволяло осуществлять очень точные измерения. Кроме того, его предполагалось использовать в радиоастрономических проектах после того, как отпадет нужда в испытании отраженного сигнала. Проект курировали Арно Пензиас и Роберт В. Уилсон; они надеялись, что им удастся откалибровать радиоисточники с большей точностью, чем это было сделано до них. Даже в 1961 г., когда их коллега Эдуард Ом использовал это оборудование вместе со спутником связи «Эхо», температура, получаемая от системы (частично из‐за внутреннего «шума», а частично – из‐за внешних воздействий), оказывалась всегда на 3,3 K выше ожидаемой. После этого Пензиас и Уилсон также обнаружили превышение ожидаемого значения. Сначала они думали, что это вызвано какими-то неполадками в антенне, однако прошел почти год, и даже очистка антенны от следов пребывания пары поселившихся там голубей не принесла никаких изменений. В какую бы часть неба ни направляли они антенну, излучение оставалось прежним.

Поскольку большинство экспериментаторов списывали непредвиденные показания приборов на неизвестные ошибки оборудования, ученые упорно продолжали искать причину именно в этом. Возникшую проблему обсудили с Р. Г. Дикке в Принстоне, занимавшимся в то время пульсирующей моделью Вселенной и ожидавшим находок подобного рода. Дикке интересовался вопросом, каким образом в рамках этой модели можно избежать равномерного накопления ядерных отходов в момент «скачка» между циклами. Почему в нашей Вселенной не должно остаться ничего, кроме железа? Его гипотеза заключалась в следующем: в кульминационный момент каждого скачка ядра железа распадаются, насыщая новый омоложенный мир водородом и гелием, и что самое последнее из этих космических огненных перерождений может оставить реликты, их-то и следует поискать. Ни в его группе, ни в группе компании «Белл» не знали об очень близкой тематике исследований Альфера, Хермана и Гамова. Однако Дикке уже успел опубликовать работу, где он предсказывал существование фонового излучения с температурой 10 K на длине волны 3 сантиметра. Его группа (Ф. Дж. Э. Пиблс, П. Г. Ролл, Д. Т. Уилкинсон) имела несчастье включиться в программу поиска этого излучения с использованием высокотехнологичного оборудования, которое она сама же и разработала после того, как услышала о работе, проводимой в лабораториях компании «Белл». В сопроводительном письме сообщалось, что Пензиас и Уилсон опубликовали свои результаты в Astrophysical Journal в конце 1965 г., где анонсировали «превышение температуры антенны на частоте 4080 мегагерц». В 1978 г. Пензиас и Уилсон получили Нобелевскую премию по физике за эту работу.

Пензиас и Уилсон, работая на длине волны 7,3 сантиметра – в двести раз более короткой, чем использовавшаяся в тех же лабораториях в пионерской работе Карла Янского, – обнаружили, что радиоволны испускаются даже вроде бы пустыми участками неба. Этот факт, казалось, можно объяснить, исходя из теории Большого взрыва, который случился примерно десять или двадцать миллиардов лет назад. Идея заключалась в том, что энергия первичного взрыва рассеялась в результате расширения Вселенной и стала соответствовать излучению объекта, называемого физиками «абсолютно черным телом», при температуре около 3 K. (В классической теории теплоты абсолютно черным телом называют объект, который полностью поглощает все падающее на него излучение, а излучением абсолютно черного тела называют все, что это тело излучает. Поэтому его часто называют полным или идеальным излучателем. Если известна температура, то теория позволяет вывести спектр теплового излучения абсолютно черного тела.) Они получили значение 3,5 K ± 1,0 K. Это довольно точно определяет количество тепловой энергии, содержащейся в межгалактическом пространстве, каждый кубический метр которого содержит около 400 миллионов фотонов – квантов излучения. (По всей видимости, количество атомов составляет в среднем одну миллиардную от этого числа.) Как это ни удивительно, но московские ученые И. Д. Новиков и А. Г. Дорошкевич не только высказали предположение о возможности регистрации реликтового излучения от Большого взрыва, но даже особо отметили, что антенна в Холмделе (ее впоследствии использовали Пензиас и Уилсон) могла бы хорошо подойти для такого рода поисков. Как и Дикке, они сумели близко подойти к открытию, которое обычно расценивается как доказательство расширения Вселенной; разница заключалась лишь в том, что Дикке был уже фактически на старте своих испытаний.

Пензиасу и Уилсону повезло: они угадали длину волны. В радиодиапазоне есть «окно» примерно между 1 и 20 сантиметрами; через него излучение от «первичного огненного пузыря» (используя одно из названий этого события) может быть зарегистрировано с поверхности Земли. На бо́льших длинах волн внегалактические сигналы смешиваются с фоном нашей собственной Галактики, а на меньших – с сильным излучением земной атмосферы. Выбранный ими путь не был единственным, ведущим к открытию. Оглядываясь назад, можно сказать, что имелись и другие, например Харуо Танака из Японии (1951), Артур Э. Ковингтон и У. Дж. Медд из Канады (1952), говорившие о существовании фонового излучения, исходя из самых разных предположений, но точность их предварительных