Main menu:

Микроволновое фоновое излучение в расширяющейся Вселенной

Весной 1964 г. Арно Пензиас и Роберт Вильсон из американской научно-исследовательской фирмы «Белл телефон лабораторис» занимались подготовкой к измерениям интенсивности непрерывного излучения Галактики на длине волны 20 см (что чуть короче длины волны, соответствующей эмиссионной линии атомарного водорода). Программа намеченных наблюдений в принципе была проста: 1) измерить сигнал, поступающий на вход приемника; 2) измерить шумы, связанные с антенной и приемником; 3) вычтя второй сигнал из первого, получить истинное значение интересующего их сигнала. Абсолютные измерения такого рода - технически чрезвычайно сложная процедура. Пензиас и Вильсон решились на эти измерения, поскольку располагали очень чувствительной приемной аппаратурой с предельно низким уровнем шумов (которую первоначально предполагалось использовать для связи со спутниками).

Ожидалось, что сигнал будет очень слабым и по спектру неотличимым от шума, создаваемого антенной и приемником, поэтому шум, вносимый аппаратурой, требовалось учесть с особой тщательностью. Почти все составляющие этого шума можно было с нужной точностью измерить и рассчитать заранее. Лишь уровень шума самой антенны (рупорного рефлектора с апертурой около 6 м) необходимо было уточнить дополнительно.

С этой целью Пензиас и Вильсон настроили приемник на длину волны 7,3 см и направили антенну на участок неба, который, как предполагалось, был почти абсолютно «темным» в этом диапазоне. К своему удивлению, они обнаружили, что принятый сигнал гораздо сильнее, чем ожидалось.

Прошло около года, прежде чем двое ученых окончательно убедились в том, что ни антенна, ни какой-либо другой блок радиотелескопа не ответственны за избыточный сигнал: его источник явно имел внешнее происхождение. По своему характеру сигнал выглядел весьма необычно: его интенсивность была одинаковой во всех направлениях и не зависела ни от положения Солнца, ни от ориентации антенны относительно Земли. Кроме того, сигнал был неполяризован. Аналогичный сигнал могло создать испорченное («шумящее») сопротивление. Однако Пензиас и Вильсон отвергли и эту, и другие подобные возможности. Источник сигнала, по всей вероятности, скрывался где-то вне телескопа. Но где?

Все объекты, которые предположительно могли бы служить источником наблюдаемого излучения, они разделили на четыре группы: источники земного происхождения, объекты Солнечной системы, источники в пределах нашей Галактики и, наконец, внегалактические источники. Чтобы выявить принадлежность источника к одной из первых трех групп, требовалось исследовать, как меняется интенсивность принимаемого сигнала в зависимости от направления.

Интенсивность излучения земных источников должна зависеть от ориентации антенны; интенсивность излучения объектов, расположенных в пределах Солнечной системы, должна изменяться на протяжении суток или в течение года, тогда как интенсивность галактических источников должна варьироваться в зависимости от галактической широты и долготы. Однако Пензиас и Вильсон не смогли обнаружить такого рода изменений: сигнал имел одинаковую интенсивность во всех направлениях и не менялся со временем.

Оставалась лишь одна возможность - предположить, что сигнал порожден множеством каких-то удаленных радиоисточников. Но такая гипотеза обладала существенным недостатком. Дело в том, что все известные к тому времени внегалактические радиоисточники были гораздо ярче в метровом диапазоне длин волн, чем в сантиметровом. Если бы наблюдаемое изучение было обусловлено совокупностью такого рода источников, то вследствие их высокой яркости в метровом диапазоне они, без сомнения, давно были бы обнаружены радиоастрономами.

Между тем, в Принстоне (шт. Нью-Джерси), всего в нескольких милях от Холмдейла, где Пензиас и Вильсон проводили свои наблюдения, группа ученых, возглавляемая Робертом Дикке, приступила к поискам изотропного фонового излучения на длине волны 3 см; для этих целей специально была сконструирована малошумящая приемная аппаратура. Дикке надеялся обнаружить излучение, по спектру близкое излучению абсолютно черного тела с температурой несколько градусов по шкале Кельвина. Пензиас и Вильсон даже не рассматривали возможность существования излучения такого рода.

Познакомившись с работами друг друга, исследователи представили в журнал Astrophysical Journal две статьи - одну от имени Пензиаса и Вильсона с описанием результатов их измерений, другую - от Дикке и его группы с теоретической интерпретацией этих результатов.

Однако природа, да и сам факт существования излучения, обнаруженного Пензиасом и Вильсоном, оставались под сомнением до тех пор, пока несколько месяцев спустя группа Дикке не осуществила собственные измерения на длине волны 3 см. Их наблюдения полностью подтвердили результаты Пензиаса и Вильсона. Как на волне 3 см, так и на волне 7,3 см излучение имело одинаковую интенсивность во всех направлениях, более того, она соответствовала предсказанной интенсивности излучения абсолютно черного тела с температурой около 3 К. Дальнейшие наблюдения подтвердили, что спектр обнаруженного излучения соответствует излучению абсолютно черного тела в широком диапазоне длин волн: 0,5 - примерно 50 см.