Карта Вселенной. Главные идеи, которые объясняют устройство космоса

В 1964 г. два талантливых физика, Арно Пензиас и Роберт Вильсон, занимались настройкой рупорной антенны в местечке Крофорд-Хилл (Холмдел, штат Нью-Джерси). Физик-экспериментатор Пензиас закончил докторантуру в Колумбийском университете и уже три года работал в Bell Labs — амбициозный и проницательный ученый, легко схватывающий общую картину любой проблемы, с которой ему приходилось сталкиваться. Вильсону было 27 лет, он только что получил докторскую степень в Калтехе по теории стационарного состояния и только что присоединился к Bell Labs. Этот старательный, аккуратный, вдохновляющий и внимательный человек, с репутацией классного специалиста по аппаратуре, тщательно следил за детальным ходом исследований. В работе над докторской диссертацией Вильсон занимался картографированием Млечного Пути, используя радиоизлучение на длинных волнах. Он слабо представлял себе, с чем ему придется столкнуться при составлении полной карты космоса.

Пензиас и Вильсон использовали антенну в Крофорд-Хилл в качестве телескопа, изучая на небе источники излучения не в оптическом диапазоне, а в области радиоволн. Радиочастотное излучение представляет собой часть всего спектра электромагнитных волн (куда входит и область видимого света) с длинами волн от нескольких миллиметров до примерно десяти метров. Такие волны могут проникать в земную атмосферу и распространяться в ней без отражения и затухания. Радиоволны были открыты Генрихом Герцем еще в 1887 г., а в 1930-х гг. Карлу Янски удалось первым зарегистрировать радиоизлучение, приходящее из центра нашей Галактики при помощи длинной антенны, построенной им в Холмделе (штат Нью-Джерси). Астрономическое научное сообщество до этого пользовалось лишь оптической аппаратурой — линзами и спектрографом — и поэтому не оценило сразу новое окно во Вселенную. Однако после Второй мировой войны, когда был изобретен радар (слово «радар» представляет собой акроним английского выражения radio detection and ranging — «радиообнаружение и измерение дальности»), большое число физиков и инженеров, которые разрабатывали оборудование и обучали им пользоваться, увидели возможности нового инструмента для исследований в астрономии. Это подогрело интерес к поиску большего числа космических радиоисточников.

Телескоп в Крофорд-Хилл, на котором работали Пензиас и Вильсон, имел очень чувствительный приемник радиосигналов (соединенный через усилитель) с коммуникационной системой Echo, созданной фирмой Bell Labs в 1960 г. Система принимала сигналы, отраженные от двух больших металлических шаров, поднятых в верхние слои атмосферы, и позволяла передавать эти сигналы на большие расстояния. Ко времени, когда Пензиас и Вильсон приступили к своим измерениям, систему перестали применять по прямому назначению, так как коммуникации осуществлялись посредством спутников, а антенны радиотелескопа использовались для улавливания особо слабых сигналов, приходящих от потенциальных космических источников. Телескоп в Крофорде был настроен на частоту 4,989 МГц, что было очень удобно для измерений в микроволновом диапазоне. Для того чтобы найти и выделить предельно слабые радиосигналы, ожидаемые от еще не обнаруженных астрономических объектов на таких частотах, Пензиас и Вильсон должны были прежде всего исключить все возможные источники помех, которые могли мешать их регистрации.

Несмотря на все усилия, Пензиасу и Вильсону никак не удавалось идентифицировать и изолировать фоновые шумы, постоянно возникающие и регистрируемые их чувствительной аппаратурой. В качестве источника помех сигналов они рассматривали и изучали излучение Земли, колебания молекул в верхних слоях атмосферы, влияние работы элементов установки и даже помет двух голубей, свивших гнездо на антенне. Помехи продолжали возникать независимо от сезона и направленности антенны, что ставило исследователей в тупик. Они никак не могли выяснить причину шумов и, следовательно, не могли ничего предпринять для их устранения. Однородный в пространстве и по времени шум казался равномерно распределенным по небосводу и не имел выделенной направленности. Температурный эквивалент этого слабого радиоизлучения составлял примерно 3 °К.