Космический шум, или как случайно нашли реликтовое излучение

Иногда технологии подводят — зато случайность делает то, чего не смог бы ни один расчёт.

Шестьдесят лет назад два инженера из Bell Labs, Арно Пензиас и Роберт Уилсон, просто хотели измерить радиошум Млечного Пути. Но в антенне постоянно появлялся странный фон, будто кто-то шептал из ниоткуда. Оказалось, это не сбой и не помеха — это эхо самого рождения Вселенной.

Теория Большого взрыва: важные вехи концепции

Концепция бесконечно расширяющейся Вселенной появилась в XX веке и была независимо предсказана несколькими учёными. Ещё в 1922 году наш соотечественник Александр Фридман ^[1] впервые математически доказал, что Вселенная не статична, а расширяется.

В 1924 году он опубликовал в немецком журнале Zeitschrift für Physik статью Über die Möglichkeit einer Welt mit konstanter negativer Krümmung des Raumes ^[4]. В ней впервые предложил динамическую модель Вселенной, опровергнув господствовавшую тогда теорию стационарного состояния ^[5], которую поддерживал даже Эйнштейн. Опираясь на общую теорию относительности, Фридман вывел уравнения ^[6], показывающие, что Вселенная не неизменна — она может расширяться или сжиматься со временем. Позже эти уравнения назовут его именем.

Теоретические идеи Фридмана впервые получили подтверждение благодаря астроному Эдвину Хабблу. В 1922–1923 годах он провёл серию наблюдений в обсерватории Маунт-Вилсон ^[7] в Калифорнии, используя крупнейший на тот момент телескоп Хукера ^[8] с зеркалом диаметром 2,5 метра. Эти наблюдения позволили определить расстояния до других галактик и показать, что они удаляются от нас — прямое доказательство расширения Вселенной.

Хаббл опубликовал результаты своих наблюдений в статьях A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae ^[10] («Зависимость между расстоянием и радиальной скоростью внегалактических туманностей») и A Spiral Nebula as a Stellar System, Messier 31 ^[11] («Спиральная туманность как звёздная система, Мессье 31»). Эти работы буквально перевернули представления о строении Вселенной.: 

• На примере цефеид ^[12] в туманностях Андромеды и Треугольника Хаббл убедительно показал, что расстояния до них во много раз превышают размеры нашей Галактики. Это означало, что за её пределами существуют другие галактики — идея, которая тогда считалась почти еретической.

• Кроме того, объединив собственные наблюдения с измерениями Весто Слайфера ^[13], Хаббл впервые описал связь ^[14] между расстоянием и скоростью удаления галактик, сформулировав знаменитый закон Хаббла ^[15]: чем дальше объект, тем быстрее он от нас удаляется.

Параллельно с Хабблом, в 1927 году, бельгийский католический священник и физик Жорж Леметр ^[17] опубликовал в Annales de la Société scientifique de Bruxelles статью ^[18], в которой предположил, что скорость удаления галактик пропорциональна их расстоянию от нас. Однако работа осталась незамеченной научным сообществом за пределами Бельгии.

В 1931 году Леметр сделал следующий шаг: он выдвинул гипотезу о том, что вся Вселенная когда-то была сосредоточена в одной сверхплотной точке, которую назвал «первичным атомом». Его статья The Beginning of the World from the Point of View of Quantum Theory ^[19], опубликованная в Nature, впервые сформулировала физическую модель происхождения Вселенной — ту, что позже станет основой современной Теории Большого взрыва.

Следующей вехой в развитии космологии стала работа астрофизика Георгия Гамова ^[21]. В 1948 году он вместе с коллегами Ральфом Альфером и Хансом Бете предложил модель «горячей Вселенной» — идею о том, что после Большого взрыва пространство было заполнено плотной и раскалённой плазмой. В этой среде происходил первичный нуклеосинтез ^[22] — реакции, в ходе которых формировались первые элементы, такие как водород и гелий.

Учёные предположили, что эти реакции сопровождались излучением ^[23], которое должно было сохраниться в пространстве до наших дней в виде реликтового (или микроволнового фонового) излучения с температурой около 3 Кельвинов.

Если бы это излучение удалось обнаружить, оно стало бы прямым подтверждением модели Большого взрыва: ведь значит, что Вселенная действительно когда-то была горячей и плотной, а затем начала расширяться.

Вот только приборов, способных зафиксировать столь малую величину, на тот момент не существовало. 

Рупорная антенна Холмдела: как инструмент связи стал окном во Вселенную

Чтобы понять, как было открыто реликтовое излучение, стоит немного отойти в сторону — к истории антенны, сыгравшей в этом ключевую роль.

В 1957 году Советский Союз запустил «Спутник-1» ^[26] — первый искусственный спутник Земли. Это событие вызвало настоящий «спутниковый кризис» ^[27] в США и показало, насколько серьёзно Америка отстаёт в космической гонке. Ответом стало создание NASA и DARPA ^[28], а вместе с ними — целая серия амбициозных космических проектов.

Одним из первых стал проект «Эхо», задуманный как пассивная система спутниковой связи. Цель была проста: установить двустороннюю радиосвязь между Лабораторией реактивного движения NASA в Голдстоуне и лабораторией Bell Labs на холме Кроуфордс-Хилл в Холмделе, штат Нью-Джерси.

Идея заключалась в том, чтобы запустить в космос огромный шар-спутник диаметром около 30 метров, покрытый тонкой плёнкой из майлара — материала, хорошо отражающего радиосигналы. Сигнал, переданный с антенны в Голдстоуне ^[29], отражался от шара и принимался рупорно-параболической антенной в Холмделе.

Эту антенну разработали инженеры Bell Labs — Кроуфорд и Хогг — специально для проекта «Эхо». Она сочетала рупор и параболический отражатель, обеспечивая исключительную чувствительность и минимальные шумы. При апертуре 6,1 метра и длине 15,2 метра антенна весила 16 тонн, но благодаря системе серводвигателей могла наводиться с точностью до пяти градусов в секунду.

Её коэффициент усиления составлял 43,3 дБ, а шумовая температура ^[31] — всего 1–2 Кельвина. По меркам 1960-х это была, без преувеличения, самая чувствительная антенна в мире.

Построенная к концу 1959 года ^[32], она успешно участвовала в экспериментах проекта «Эхо» и позже — в приёме сигнала от спутника Telstar-1 ^[33] (1962–1963 годы). Результаты оказались настолько впечатляющими, что в Bell Labs решили: простаивать такой инструмент не должен.

Для новых наблюдений к работе подключили двух сотрудников лаборатории — Арно Пензиаса и Роберта Уилсона. Им поручили использовать антенну для измерения радиосигналов от различных областей Млечного Пути ^[34] и определения яркости галактик. Никто тогда не мог предположить, что именно эти измерения приведут к открытию, навсегда изменившему представления о происхождении Вселенной. 

Как антенна Bell Labs услышала эхо Большого взрыва

В 1964 году Пензиас и Уилсон приступили к серии радионаблюдений, используя рупорно-рефлекторную антенну в Холмделе.

На частоте 4080 МГц они столкнулись с необъяснимым шумом — стабильным, не зависящим от направления антенны и источника наблюдения. Его уровень оказался примерно на 3,5 Кельвина выше ожидаемого фонового значения, почти в сто раз интенсивнее обычного радиошума. Более того, сигнал равномерно распределялся по всему небу, что исключало локальное происхождение.

Необычный шум никак не вписывался в привычную картину. Он был одинаково силён во всех направлениях и не зависел от времени суток или положения антенны. Для Пензиаса и Уилсона это означало одно: сигнал не может исходить от конкретных источников — звёзд, Солнца или радиогалактик. А значит, искать причину нужно в самой установке.

После безуспешных попыток подавить шум на уровне схемотехники — проверяли усилители, линии передачи и модуляторы — инженеры решили действовать системно и проверять всё поочерёдно.

Сначала предположили, что причиной могут быть тепловые помехи. Приёмное устройство охладили жидким гелием до −269 °C, почти до абсолютного нуля, чтобы убрать лишнее тепловое излучение. Результата не было — фон оставался прежним.

Следующая гипотеза касалась сезонных колебаний. Если источник был бы связан с атмосферой Земли, интенсивность шума менялась бы в течение года. Но наблюдения с июля 1964-го по апрель 1965-го показали: сигнал стабилен, без малейших изменений.

В отчаянии Пензиас и Уилсон перешли к самой прозаичной версии — грязь внутри антенны. В рупоре действительно поселились голуби, оставив после себя слой ^[35], который Пензиас с иронией назвал «белым диэлектрическим материалом». Учёные очистили антенну и даже переселили птиц… но шум остался.

«Похоже, что это тупик», — решили Пензиас и Уилсон. Не найдя объяснения странному сигналу, они связались с коллегами из Принстонского университета, находившегося всего в 60 километрах от Холмдела. Именно там работала группа астрофизиков, занимавшихся теоретическими моделями радиоизлучения ранней Вселенной.

Во главе этой группы были Роберт Дике ^[36], Джеймс Пиблз и Дэвид Уилкинсон. Ещё в 1964 году они независимо пришли к тому же выводу, что и Георгий Гамов шестнадцатью годами ранее: после Большого взрыва пространство должно быть заполнено фоновым микроволновым излучением с температурой ^[37] около 2–3 Кельвинов.

Если исходить из модели абсолютно чёрного тела с такой температурой, расчёты показывали, что излучение должно лежать в микроволновом диапазоне и, при наличии достаточно чувствительного оборудования, быть вполне измеримым.

Дике с коллегами принялся конструировать микроволновый радиометр (позже названный в его честь радиометром Дике). Подобное устройство он уже проектировал в 1946 году ^[38], но тогда дальше лабораторных опытов и теории дело не пошло. Да и про реликтовое излучение еще никто не догадывался. 

Но в какой-то момент, когда работа над устройством уже закипела, в кабинете зазвонил телефон. Дике поднял трубку, и на другом конце Арно Пензиас жаловался на проблему с помехами на антенне в Холмделе и попросил о помощи. Выслушав его, Дике попросил взять паузу, положил трубку и сказал: «Ребята, нас опередили». 

После того, как Дике, Пиблз и Уилкинсон побывали на объекте и еще раз проанализировали все вводные данные, сомнений не оставалось. То были не помехи — Пензиас и Уилсон обнаружили предсказанное реликтовое излучение и в 1965 году написали статью ^[39] «Измерение избыточной температуры антенны на частоте 4080 МГц» в Astrophysical Journal Letters, приложив сопроводительное письмо от коллег из Принстона. 

С этого момента реликтовое излучение перестало быть гипотезой и стало наблюдаемым фактом.

Последствия открытия излучения и судьба антенны Холмдела

В 1978 году Пензиас и Уилсон за открытие реликтового излучения получили Нобелевскую премию по физике ^[40] «За открытие космического микроволнового фонового излучения». А научное сообщество продолжило изучать уникальное явление — эхо событий, произошедших в первые мгновения после Большого взрыва.

Однако наземные наблюдения не давали нужной точности — атмосферные помехи и тепловое излучение Земли сильно искажали результаты. Поэтому учёные решили искать способ обойти атмосферу и поднять аппаратуру выше.

В 1977 году измерения провели на борту самолёта-разведчика U-2 ^[41], на высоте более 7 километров. Используя охлаждаемый приёмник с длиной волны 3 мм (90 ГГц), удалось впервые получить тепловую карту реликтового излучения.

В 1983 году в СССР решили пойти дальше и провести измерения в рамках проекта «РЕЛИКТ-1» — с борта спутника «Прогноз-9» ^[42], используя радиометр Р-08 «Реликт». Устройство работало на частоте 37 ГГц с полосой пропускания 400 МГц. Для регистрации данных применялся дифференциальный метод с использованием двух рупорных антенн.

В 1989 году аналогичный проект реализовали в NASA, выведя на орбиту космический спутник COBE (Cosmic Background Explorer) с радиометром DMR. Он работал уже в трех диапазонах 31, 53 и 90 ГГц, со среднеквадратичным значением шума 30, 11 и 16 мК, соответственно. Именно этот аппарат обнаружил анизотропию реликтового излучения ^[43] и тепловые неоднородности.  

Последний эксперимент по изучению реликтового излучения провели с 2001 по 2009 год на космической обсерватории WMAP ^[45]. На основе измеренных данных ученые построили более детальную карту по небесной сфере, с разрешением в 30 раз лучше, чем при использовании COBE. Измерения WMAP сыграли ключевую роль в создании современной космологической модели Лямбда-CDM ^[3].

Сама же рупорная антенна Холмдела с 1970-х годов практически не использовалась. В 1989 году она была признана национальным историческим памятником ^[46].

Но в 2021 году Nokia, которая владела правами на здание Bell Labs после покупки Alcatel-Lucent ^[47], продала 43 акра земли предпринимателю Ракешу Антале ^[48] за 3,6 млн долларов. И по слухам, там решили построить элитный жилой комплекс на холме ^[49] с потрясающим видом (Холмдел — один из самых богатых районов Нью-Джерси). А антенну снести или перенести. 

От сноса исторический памятник спасли буквально в последний момент. Местное сообщество объединилось, запустив рекламную кампанию и онлайн-петицию с требованием спасти антенну ^[50]. В конечном итоге, после длительного судебного разбирательства, муниципалитет получил право выкупить за 5,5 млн долларов землю, где стояла антенна. 

И возможно, про антенну никто бы и не вспомнил, если бы не тот факт, что в Холмделе до сих пор живет Роберт Уилсон ^[51]. Именно он привлек внимание городского совета к проблеме и остановил снос легендарной антенны. Совет выкупил историческую местность и превратил ее в парк имени Роберта Уилсона ^[52]. 

История антенны в Холмделе — напоминание о том, как случайность может изменить ход науки. Обычный технический шум обернулся эхом рождения Вселенной, а рутинная проверка аппаратуры — одним из величайших открытий XX века.

А вы помните другие случаи, когда случайность приводила к открытиям, перевернувшим представления о мире?

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS ^[53] (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS