Открытие реликтового излучения (Пензиас, Вильсон)

Только когда Вселенная, расширяясь, охлаждается до температуры ниже миллиарда кельвинов, некоторое  количество возникающего дейтерия уже  сохраняется и приводит к синтезу  гелия. Расчеты показывают, что температуру  и плотность вещества можно согласовать  так, чтобы к этому моменту  доля нейтронов в веществе составляла около 15% по массе. Эти нейтроны, соединяясь с таким же количеством протонов, образуют около 30% гелия. Остальные  тяжелые частицы остались в виде протонов – ядер атомов водорода. Ядерные  реакции заканчиваются по прошествии первых пяти минут после начала расширения Вселенной. В дальнейшем, по мере расширения Вселенной, температура ее вещества и излучения снижается. Из работ  Гамова, Альфера и Хермана 1948 года следовало: если теория горячей Вселенной предсказывает возникновение 30% гелия и 70% водорода как основных химических элементов природы, то современная Вселенная неизбежно должна быть заполнена остатком («реликтом») первобытного горячего излучения, причем современная температура этого реликтового излучения должна быть около 5 K.

Однако на гипотезе Гамова анализ разных вариантов начала космологического расширения не закончился. В начале 1960-х годов остроумная попытка снова вернуться к холодному варианту была предпринята Я.Б.Зельдовичем, которые предположил, что первоначальное холодное вещество состояло из протонов, электронов и нейтрино. Как показал Зельдович, такая смесь при расширении превращается в чистый водород. Гелий и другие химические элементы, согласно этой гипотезе, синтезировались позже, когда образовались звезды. Заметим, что к этому моменту астрономы уже знали, что Вселенная в несколько раз старше Земли и большинства окружающих нас звезд, а данные об обилии гелия в дозвездном веществе были в те годы еще очень неопределенными.

Казалось бы, решающим тестом для  выбора между холодной и горячей  моделями Вселенной мог стать  поиск реликтового излучения. Но почему-то долгие годы после предсказания Гамова и его коллег никто сознательно не пытался обнаружить это излучение. Открыто оно было совершенно случайно в 1965 радиофизиками из американской компании «Белл» Р.Уилсоном и А.Пензиасом, награжденными в 1978 Нобелевской премией.

Глава 2. На пути к обнаружению реликтового излучения.

В середине 1960-х годов  астрофизики продолжали теоретически изучать горячую модель Вселенной. Вычисление ожидаемых характеристик  реликтового излучения было выполнено  в 1964 А.Г.Дорошкевичем и И.Д.Новиковым в СССР и независимо Ф.Хойлом и Р.Дж.Тейлором в Великобритании. Но эти работы, как и более ранние работы Гамова с коллегами, не привлекли к себе внимания. А ведь в них уже было убедительно показано, что реликтовое излучение можно наблюдать. Несмотря на крайнюю слабость этого излучения в нашу эпоху, оно, к счастью, лежит в той области электромагнитного спектра, где все прочие космические источники в целом излучают еще слабее. Поэтому целенаправленный поиск реликтового излучения должен был привести к его открытию, но радиоастрономы не знали об этом.

Вот что сказал А.Пензиас в своей нобелевской лекции: «Первое опубликованное признание реликтового излучения в качестве обнаружимого явления в радиодиапазоне появилось весной 1964 в краткой статье А.Г.Дорошкевича и И.Д.Новикова, озаглавленной Средняя плотность излучения в Метагалактике и некоторые вопросы релятивистской космологии. Хотя английский перевод появился в том же году, но несколько позже, в широко известном журнале «Советская физика – Доклады», статья, по-видимому, не привлекла к себе внимания других специалистов в этой области. В этой замечательной статье не только выведен спектр реликтового излучения как чернотельного волнового явления, но также отчетливо сконцентрировано внимание на двадцатифутовом рупорном рефлекторе лаборатории «Белл» в Кроуфорд-Хилл, как на наиболее подходящем инструменте для его обнаружения!» (цит. по: Шаров А.С., Новиков И.Д. Человек, открывший взрыв Вселенной: Жизнь и труд Эдвина Хаббла. М., 1989).

К сожалению, эта статья осталась незамеченной ни теоретиками, ни наблюдателями; она  не стимулировала поиск реликтового  излучения. Историки науки до сих  пор гадают, почему долгие годы никто  не пытался сознательно искать излучение  горячей Вселенной. Любопытно, что  мимо этого открытия – одного из крупнейших к 20 в. – ученые прошли несколько  раз, не заметив его.

Например, реликтовое излучение могло  быть открыто еще в 1941. Тогда канадский  астроном Э.Мак-Келлар анализировал линии поглощения, вызываемые в спектре звезды Дзета Змееносца межзвездными молекулами циана. Он пришел к выводу, что эти линии в видимой области спектра могут возникать только при поглощении света вращающимися молекулами циана, причем их вращение должно возбуждаться излучением с температурой около 2,3 К. Конечно, никто не мог подумать тогда, что возбуждение вращательных уровней этих молекул вызывается реликтовым излучением. Лишь после его открытия в 1965 были опубликованы работы И.С.Шкловского, Дж.Филда и др., в которых показано, что возбуждение вращения межзвездных молекул циана, линии которых отчетливо наблюдаются в спектрах многих звезд, вызвано именно реликтовым излучением.

Еще более драматичная история  произошла в середине 1950-х годов. Тогда молодой ученый Т.А.Шмаонов под руководством известных советских радиоастрономов С.Э.Хайкина и Н.Л.Кайдановского провел измерения радиоизлучения из космоса на длине волны 32 см. Эти измерения были выполнены с помощью рупорной антенны, подобной той, которая была использована много лет спустя Пензиасом и Уилсоном. Шмаонов со всей тщательностью изучил возможные помехи. Конечно, в его распоряжении тогда еще не было столь чувствительных приемников, которые появились впоследствии у американцев. Результаты измерения Шмаонова были опубликованы в 1957 в его кандидатской диссертации и в журнале «Приборы и техника эксперимента». Вывод из этих измерений был таков: «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона... равна 4 ± 3 К». Шмаонов отмечал независимость интенсивности излучения от направления на небе и от времени. Хотя ошибки измерений были велики и говорить о какой-либо надежности цифры 4 не приходится, теперь нам ясно, что Шмаонов измерял именно реликтовое излучение. К сожалению, ни он сам, ни другие радиоастрономы ничего не знали о возможности существования реликтового излучения и не придали должного значения этим измерениям.

Наконец, около 1964 к этой проблеме сознательно подошел известный  физик-экспериментатор из Принстона (США) Роберт Дикке. Хотя его рассуждения основывались на теории «осциллирующей» Вселенной, которая многократно испытывает расширение и сжатие, Дикке ясно понимал необходимость поиска реликтового излучения. По его инициативе в начале 1965 молодой теоретик Ф.Дж.Э.Пиблс провел необходимые вычисления, а П.Г.Ролл и Д.Т.Уилкинсон начали сооружать маленькую низкошумящую антенну на крыше Пальмеровский физической лаборатории в Принстоне. Для поиска фонового излучения не обязательно использовать большие радиотелескопы, так как излучение идет со всех направлений. От того, что большая антенна фокусирует луч на меньшей площадке неба, ничего не выигрывается. Но группа Дикке не успела сделать запланированное открытие: когда их аппаратура уже была готова, им оставалось лишь подтвердить открытие, накануне случайно сделанное другими.

Глава 3. Открытие реликтового излучения.

В 1960 в Кроуфорд-Хилле, Холмдел (шт. Нью-Джерси, США) была построена антенна для приема радиосигналов, отраженных от спутника-баллона «Эхо». К 1963 для работы со спутником эта антенна была уже не нужна, и радиофизики Роберт Вудро Уилсон (р. 1936) и Арно Элан Пензиас (р. 1933) из лаборатории компании «Белл телефон» решили использовать ее для радиоастрономических наблюдений. Антенна представляла собой 20-футовый рупор. Вместе с новейшим приемным устройством этот радиотелескоп был в то время самым чувствительным инструментом в мире для измерения радиоволн, приходящих с широких площадок на небе. В первую очередь предполагалось провести измерения радиоизлучения межзвездной среды нашей Галактики на волне длиной 7,35 см. Арно Пензиас и Роберт Уилсон не знали о теории горячей Вселенной и не собирались искать реликтовое излучение.

Для точного измерения  радиоизлучения Галактики необходимо было учесть все возможные помехи, вызываемые излучением земной атмосферы  и поверхности Земли, а также  помехи, возникающие в антенне, электрических  цепях и приемниках. Предварительные испытания приемной системы показали несколько больший шум, чем ожидалось по расчетам, но казалось правдоподобным, что это связано с небольшим избытком шума в усилительных цепях. Чтобы избавиться от этих проблем, Пензиас и Уилсон использовали устройство, известное как «холодная нагрузка»: сигнал, приходящий от антенны, сравнивается с сигналом от искусственного источника, охлажденного жидким гелием при температуре около четырех градусов выше абсолютного нуля (4 K).

 В обоих случаях электрический шум в усилительных цепях должен быть одинаков, и поэтому полученная при сравнении разница дает мощность сигнала, идущего от антенны. Этот сигнал содержит вклады только от антенного устройства, земной атмосферы и астрономического источника радиоволн, попадающего в поле зрения антенны. Пензиас и Уилсон ожидали, что антенное устройство будет давать очень небольшой электрический шум. Однако, чтобы проверить это предположение, они начали свои наблюдения на сравнительно коротких волнах длиной 7,35 см, на которых радиошум от Галактики должен быть пренебрежимо мал. Естественно, какой-то радиошум ожидался на такой длине волны и от земной атмосферы, но этот шум должен иметь характерную зависимость от направления: он должен быть пропорционален толщине атмосферы в том направлении, в каком смотрит антенна: немного меньше в направлении зенита, чуть больше в направлении горизонта. Ожидалось, что после вычитания атмосферного члена с характерной зависимостью от направления не останется никакого существенного сигнала от антенны и это подтвердит, что электрический шум, производимый антенным устройством, пренебрежимо мал. После этого можно будет начать изучение самой Галактики на больших длинах волн – около 21 см, где излучение Млечного Пути имеет вполне заметное значение. (Отметим, что радиоволны с длинами в сантиметры или дециметры, вплоть до 1 м, обычно называют «микроволновым излучением». Такое название дано потому, что эти длины волн меньше, чем у тех ультракоротких волн, которые использовали в радарах в начале Второй мировой войны.)

К своему удивлению, Пензиас и Уилсон обнаружили весной 1964, что они принимают на длине волн 7,35 см довольно заметное количество микроволнового шума, не зависящего от направления. Они нашли, что этот «статический фон» не меняется в зависимости времени суток, а позднее обнаружили, что он не зависит и от времени года. Следовательно, это не могло быть излучением Галактики, ибо в этом случае его интенсивность менялась бы в зависимости от того, смотрит антенна вдоль плоскости Млечного Пути или поперек. К тому же, если бы это было излучением нашей Галактики, то большая спиральная галактика М 31 в Андромеде, во многих отношениях похожая на нашу, тоже должна была бы сильно излучать на волне 7,35 см, а этого не наблюдалось.

Исследователям было ясно, что необходимо снова проверить, не может ли сама антенна производить  больше электрического шума, чем ожидалось. В частности, было известно, что в  рупоре антенны угнездилась пара голубей. Они были пойманы, отправлены по почте на принадлежащий компании «Белл» участок в Виппани, выпущены на волю, вновь обнаружены несколькими днями спустя на своем месте в антенне, снова пойманы и наконец утихомирены более решительными средствами.

Однако во время аренды помещения голуби покрыли внутренность антенны тем, что Пензиас назвал «белым диэлектрическим веществом», которое при комнатной температуре могло быть источником электрического шума. В начале 1965 был демонтирован рупор антенны и вычищена вся грязь, однако это, как и все другие ухищрения, дало очень малое уменьшение наблюдаемого уровня шума.

Когда все источники помех  были тщательно проанализированы и  учтены, Пензиас и Уилсон вынуждены были сделать вывод, что излучение приходит из космоса, причем со всех сторон с одинаковой интенсивностью. Оказалось, что пространство излучает так, как будто бы оно нагрето до температуры 3,5 кельвина (точнее, достигнутая точность позволяла заключить, что «температура космоса» от 2,5 до 4,5 кельвина). Необходимо заметить, что это очень тонкий экспериментальный результат: например, если перед рупором антенны расположить брикет мороженого, то он сиял бы в радиодиапазоне, в 22 млн. раз более ярком, чем соответствующей участок неба. Обдумывая неожиданный результат своих наблюдений, Пензиас и Уилсон не торопились с публикацией. Но события развивались уже помимо их воли.

Случилось так, что Пензиас позвонил по совершенно другому поводу своему приятелем Бернарду Берку из Массачусетского технологического института. Незадолго до этого Берк слышал от своего коллеги Кена Тсрнера из Института Карнеги о докладе, который тот, в свою очередь, слышал в Университете Джонса Хопкинса, сделаланном теоретиком из Принстона Филом Пиблслм, работавшим под руководством Роберта Дикке. В этом докладе Пиблс приводил аргументы в пользу того, что должен существовать фоновый радиошум, оставшийся от ранней Вселенной и имеющий сейчас эквивалентную температуру около 10 K.

Пензиас позвонил Дикке, и обе группы исследователей встретились. Роберту Дикке и его коллегам Ф.Пиблсу, П.Роллу и Д.Уилкинсону стало ясно, что А.Пензиас и Р.Уилсон обнаружили реликтовое излучение горячей Вселенной. Ученые решили одновременно опубликовать два письма в престижном «Астрофизическом журнале» («Astrophysical Journal»). Летом 1965 были опубликованы обе работы: Пензиаса и Уилсона об открытии реликтового излучения и Дикке с коллегами – с его объяснением с помощью теории горячей Вселенной. По-видимому, не до конца убежденные в космологической интерпретации своего открытия, Пензиас и Уилсон дали своей заметке скромное название: Измерение избыточной антенной температуры на частоте 4080 МГц. Они просто объявили, что «измерения эффективной зенитной температуры шума... дали значение на 3,5 K выше, чем ожидалось», и избежали всяких упоминаний о космологии, за исключением фразы, что «возможное объяснение наблюдаемой избыточной температуры шума дано Дикке, Пиблсом, Роллом и Уилкинсоном в сопутствующем письме в этом же выпуске журнала

В последующие годы на различных  длинах волн от десятков сантиметров  до доли миллиметра были проведены  многочисленные измерения. Наблюдения показали, что спектр реликтового  излучения соответствует формуле  Планка, как это и должно быть для излучения с определенной температурой. Подтвердилось, что эта  температура примерно равна 3 K. Было сделано замечательное открытие, доказывающее, что Вселенная в  начале расширения была горячей

Таково сложное переплетение событий, завершившееся открытием  горячей Вселенной Пензиасом и Уилсоном в 1965. Установление факта сверхвысокой температуры в начале расширения Вселенной явилось отправной точкой важнейших исследований, ведущих к раскрытию тайн не только астрофизических, но и тайн строения материи

Заключение

Первые наблюдения А. Пензиаса и Р. Вилсона показали, что температура реликтового излучения составляет около 3 градусов Кельвина.

В последующие годы многочисленные измерения были проведены на различных  длинах волн — от десятков сантиметров  до долей миллиметра.

Так было сделано замечательное  открытие нашего века, доказывающее, что  Вселенная в начале расширения была горячей. За это открытие А. Пензиасу и Р. Вилсону была присуждена в 1978 году Нобелевская премия по физике. 

Реликтовое излучение  существенно влияет на ряд процессов, происходящих во Вселенной и в  современную эпоху. Так, реликтовое излучение определяет время жизни  релятивистских электронов и космических  лучей сверхвысоких энергий в  межгалактическом пространстве: электроны, рассеивая фотоны реликтового излучения, отдают им энергию и тормозятся. Энергия реликтовых фотонов при  этом возрастает во много раз. Этот механизм, возможно, является причиной возникновения фонового рентгеновского излучения. При столкновении фотонов  реликтового излучения с протонами  ультравысоких энергий происходит рождение p-мезонов, протоны быстро теряют энергию. Столкновения фотонов с ядрами космических лучей при определенных условиях приводят к расщеплению ядер. Реликтовое излучение влияет на заселенность нижних энергетических уровней молекул межзвездного вещества. На этом основан, в частности, косвенный метод определения температуры реликтового излучения. Полученные этим путем температуры реликтового излучения хорошо согласуются с температурами, полученными и при прямых радионаблюдениях.