САМОЕ ПЕКЛО. СПЕКТР КОБЕ
Я проснулся в пятницу, и, поскольку Вселенная расширилась, мне понадобилось больше времени, чем обычно, чтобы найти одежду.
Вуди Аллен
Одно из величайших открытий XX века было случайно сделано в 1965 году двумя американскими радиоинженерами, работавшими в компании Bell Telephone Laboratories в Холм-деле, штат Нью-Джерси. Арно Пензиас и Роберт Уилсон переделывали приемник, первоначально предназначенный для отслеживания спутника связи «Эхо», чтобы переоборудовать его для применения в радиоастрономии. Настраивая приемник, они заметили, что он ловит постоянный низкоуровневый источник микроволнового радиошума, который с одинаковой интенсивностью исходит от всего неба.
Внимательно проверив все возможные источники такого сигнала на месте и убедившись, что они ни при чем, Пензиас и Уилсон обратились к космологам из находившегося неподалеку Принстонского университета, которые по чистому совпадению собирались начать исследования по поиску поля реликтового излучения, сохранившегося со времен появления Вселенной. Они полагали, что это даст новые важные сведения о сохранившихся следах тех жарких событий, что происходили в самом начале существования Вселенной после Большого взрыва. Но дело было в том, что в Принстоне не привыкли внимательно читать исследовательскую литературу.
Еще в 1948 году Ральф Альфер и Роберт Герман, два молодых исследователя, работавших под руководством Георгия Гамова, начали публикацию серии статей о том, что могло происходить во Вселенной в первые несколько минут после Большого взрыва, когда Вселенная только начала расширяться. Они уже тогда предсказали, что во Вселенной должен оставаться небольшой уровень того раннего излучения, охладившегося до очень низкой температуры за миллиарды лет расширения. Ученые рассчитывали, что это излучение должно иметь температуру около пяти градусов Кельвина (то есть примерно -268 градусов Цельсия). Пензиас и Уилсон, в сущности, обнаружили микроволновый сигнал. Если этот сигнал был тепловым излучением абсолютно черного тела, то его температура составляла бы 3,5 ± 1,0 градусов Кельвина. Вскоре не осталось сомнений, что обнаруженное ими излучение и было тем эхом Большого взрыва, о котором писали Альфер и Герман.
Одна за другой вышли две статьи: скромное сообщение об измерениях, проведенных Пензесом и Уилсоном, под неброским названием «Измерение повышенной температуры антенны при 4080 МГц/сек» и теоретическая работа Роберта Дике, Джеймса Пиблса, Питера Ролла и Дэвида Уилкинсона, в которой объяснялось, какое место занимают измерения Пензеса и Уилсона в контексте теории расширяющейся Вселенной. Это явление стало известно как реликтовое излучение или, в буквальном переводе с английского, космическое микроволновое фоновое излучение, так как оно относится к микроволновым частотам радиоспектра. Резонанс этого открытия был очень велик. Оно подтвердило общую картину расширяющейся Вселенной, которая когда-то была гораздо горячее и плотнее, чем в наши дни. Структуру этого излучения удалось подробно изучить, оно сыграло в космологии такую же грандиозную роль, какую, например, в изучении Древнего Египта Розеттский камень. При его помощи космологам удалось расшифровать информацию об истории Вселенной. Пензиас и Уилсон в 1978 году получили Нобелевскую премию по физике .
В течение долгих лет после открытия реликтового излучения ученые повторяли наблюдения Пензиаса и Уилсона, слегка меняя способы измерений, настраиваясь на различные микроволновые частоты. Предпринимались попытки обосновать заключительную важную гипотезу о том, что этот сигнал действительно имеет структуру обычного теплового излучения. Если реликтовое излучение действительно началось в первые минуты существования Вселенной, то в нем должна была наблюдаться разная интенсивность в зависимости от длины волны (то, что называется спектром), свойственная так называемому абсолютно черному телу – физической модели, которую разработал великий немецкий физик Макс Планк в 1900 году. Основная характеристика спектра Планка заключается в том, что интенсивность излучения повышается до максимума, а затем снижается по мере увеличения длины волны излучения.
К сожалению, когда первые наблюдения реликтового излучения делались с поверхности Земли, можно было уловить лишь часть волнового спектра с длиной волны до 0,3 сантиметра. Земная атмосфера влияла на проходящее через нее излучение с меньшей длиной волны, поглощала и излучала далее волны с уже иной длиной. Такое поглощение происходило в некоторых молекулах, содержащихся в воздухе, например в молекулах воды. Постепенно наблюдатели стали запускать приборы в высокие слои атмосферы на аэростатах, чтобы снизить влияние этого эффекта. Но такие наблюдения очень сложны: требуется сравнить температуру реликтового излучения, составляющую около трех градусов выше абсолютного нуля, с контрольным источником из жидкого гелия, охлажденного практически до такой же температуры. А в это время вокруг прибора находятся вещества планеты Земля, отражающие и повторно излучающие тепло Солнца, температура излучения которого выше на сотни градусов.
В ходе наблюдений, проводившихся на поверхности Земли и в стратосфере, появлялись все новые данные о том, что имеют место значительные искажения планковской формы спектра в области максимума. Это было непонятно. Некоторые ученые были готовы увидеть в этом факте подтверждение того, что история Вселенной изобиловала бурной активностью, связанной с формированием звезд и галактик. Другие специалисты, в частности Фред Хойл и его сотрудники, хватались за эту соломинку, пытаясь доказать, что в конечном итоге неверной могла быть вся картина Большого взрыва, а само реликтовое излучение – беспорядочная энергия, исходящая от звезд, а вовсе не остатки первобытного пожара Большого взрыва, как полагали их оппоненты. Еще одна группа специалистов не доверяла наблюдениям, сделанным с Земли, они считали, что искажения, обнаруженные Полом Ричардсом и его аспирантом Дэйвом Вуди, конечно, существуют на самом деле, но обусловлены обычными атмосферными помехами, неизбежными при проведении каждого конкретного наземного или аэростатного эксперимента.
На этом фоне неопределенности, размышлений и неоднозначности произошел долгожданный запуск научного спутника КОБЕ (СОВЕ – Cosmic Background Explorer) по программе НАСА. Спутник, доставленный на солнечно-синхронную орбиту ракетой «Дельта», был предназначен для изучения реликтового излучения. Это событие произошло 18 ноября 1989 года, через пятнадцать лет после того, как зародилась идея проекта. Спутник должен был пронаблюдать реликтовое излучение по всему небу и проследить спектр глубоко в инфракрасной области вблизи точки максимальной интенсивности. Это делалось, чтобы определить, существуют ли искажения, наблюдаемые на Земле, до попадания излучения в атмосферу и имеет ли спектр излучения особую планковскую форму. Если форма спектра окажется планковской, то по положению точки максимальной интенсивности излучения можно найти и его температуру, причем с беспрецедентной точностью.
Результаты миссии КОБЕ ожидались с нескрываемым интересом. Публично их объявил Джон Мазер 13 января 1990 года; до этого команда наблюдателей тщательно сохраняла результаты в тайне (хотя, как кажется, этот период тоже не прошел без трений и разногласий). Мазер сообщил, что с помощью установленного на спутнике КОБЕ детектора – спектрофотометра инфракрасного диапазона для измерения реликтового фона – получены данные о полном спектре реликтового излучения. А затем он показал картинку, увидев которую зал, полный заслуженных астрономов, разразился овацией. Это был самый точный тепловой спектр Планка, когда-либо наблюдавшийся в природе. Никаких искажений, никаких отклонений от структуры чистого теплового излучения, имеющего температуру 2,725 градуса Кельвина. Линия графика настолько точно совпадала с кривой, начерченной Планком, что в двух графиках невозможно было найти различий. Погрешности были примерно в 100 раз меньшими, чем толщина самой кривой. Это было окончательное доказательство того, что на заре своей юности Вселенная была плотным и жарким пеклом. К сожалению, приходилось признать, что все те интересные искажения, которые с земли наблюдали Вуди, Ричарде и другие, на самом деле свидетельствовали не о сложных взрывных событиях, некогда происходивших в космосе, а всего лишь о том, как непроста атмосферная химия. Когда-то Вселенная была гораздо однороднее и проще, чем мы могли себе представить.