Что ищут «археологи космоса»?

Радиообраз юной Вселенной в первые ее миллионолетия впервые в мире построен советскими учеными. Более полугода на борту высокоапогейного спутника «Прогноз» работал самый маленький в мире радиотелескоп, принимавший микроволновое фоновое излучение, пришедшее к нам из далекого прошлого Вселенной.

Жаркая июльская полночь. Байконур.

«„Прогноз“ на проводе, — объявляет дежурный оператор. — Даю связь».

Вращаются магнитные диски, бегают каретки приборов. Но что это? Самописцы — все как один — бесстрастно вычеркивают незамысловатые, как трамвайные пути, шумовые дорожки.

Оператор вопросительно смотрит на разработчиков радиотелескопа, присутствующих на первом сеансе связи.

«Все в порядке, — уверенно отвечает заведующий одной из лабораторий ИКИ кандидат физико-математических наук И. Струков, хотя, наверное, у него на душе кошки скребут… — Аппаратура в норме», — говорит он. Однако любой инженер, взглянув на то, сколь глубоко утонул в шумах полезный сигнал, вполне может в этом усомниться. Но Струков-то, как никто другой, знал, что для того чтобы из этого океана шума вытек слабый ручеек полезной информации, их радиотелескоп должен набрать огромную статистику, провести множество — миллиарды — измерений.

Так начинался этот уникальный эксперимент, результатом которого стало создание радиокарты Вселенной. Это самый грандиозный объект, съемку которого когда-либо предпринимало человечество. И — самый древний, ибо никому еще из «археологов дальнего космоса», ищущих ответы на вечный вопрос: «Как возник мир?», не удавалось заглянуть в столь отдаленные глубины дога. тактической истории.

Чем же интересна нам сегодня картина Вселенной 15–20 миллиардолетней древности?

В ту пору не было ни звезд, ни скоплений, ни галактик — ни одно светило не появилось еще на свет. Лишь в оптическом диапазоне волн мчат, пронизывая во всех направлениях пространство, фотоны. Именно в том, каким образом сейчас распределена энергия этих остывших чуть ли не до абсолютного нуля квантов электромагнитного поля, содержится бесценная информация о «начале», если так можно выразиться, мира. В потоках реликтовых фотонов содержатся тончайшие генетические структуры, расшифровывая которые, космологи пытаются понять, как появился на свет феноменальный «сверхген» Вселенной, из которого спустя миллиардолетия родились галактики, звезды, мы…

1. За «ошибку» — Нобелевскую премию

Почти четверть века назад американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вильсон заложили краеугольный камень в здание современной космологии. «Прослушивая» небесный свод с помощью специальной рупорной антенны, они изучали слабые радиосигналы, отражаемые спутниками «Эхо». Антенна — это укрепленная на крыше здания гигантская «слуховая трубка» 7 м длиной. Пытаясь определить порог чувствительности антенны, ученые ориентировали ее рупор так, чтобы в него не попадало космическое радиоизлучение Млечного Пути. Прием шел на волне 7 см, в том диапазоне, в котором атмосфера имеет «окно прозрачности», поэтому на фоне молчащего радиокосмоса должны были бы сразу отчетливо проявиться собственные шумы аппаратуры. Расчеты, однако, не оправдывались. Галактика отчетливо «фонила». Но может быть, высокочувствительный прибор заодно регистрировал и тепловые помехи атмосферы? Ученые стали понемногу менять положение «слуховой трубки», рассуждая, что при приближении к линии горизонта атмосфера становится толще и, следовательно, уровень шумов должен возрасти, а в зените, напротив, упасть.

Но ничего подобного. Антенна вела себя одинаково шумно при всех положениях рупора над горизонтом. Эксперимент затянулся на многие месяцы, поэтому антенна, вращаясь вместе с Землей вокруг ее оси, а также вокруг Солнца, словом, перемещаясь в пространстве, уже принимала излучение из новых областей Галактики, но… все на том же недопустимо высоком уровне шума. И в любом положении «температура» антенного шума отличалась от расчетной на одну и ту же величину.

Будучи дотошным исследователем, Пензиас в поисках «шумящего» фактора винтик за винтиком перебрал узлы и детали своей конструкции. Пришлось даже выселить из рупора пару голубей, а также затратить немалые усилия на очистку антенных конструкций от некоего постороннего вещества, которое Пензиас позже, в своей Нобелевской речи, назовет деликатно «диэлектрическим белым налетом».

Тщетны все старания! Едва опыты были возобновлены, выскобленный и вылизанный коротковолновый приемник излучения зашумел вновь. Сигнал на выходе приемника свидетельствовал о том, что он принимал энергию, пропорциональную 7 К, изо всех точек пространства. В конце концов, отнеся еще градуса 3–4 на внутренние шумы охлаждаемых жидким гелием усилителей, экспериментаторы получили в «сухом» остатке около 3 К, «списать» которые было просто-напросто не на кого… Разве что на Вселенную, которую и заполняло это однородное, доселе неизвестное микроволновое излучение?..

Так было совершено самое выдающееся со времен Коперника открытие в области космологии (учеными, кстати сказать, никакого отношения к космологии не имеющими). В 1978 году за открытие микроволнового реликтового излучения им была присуждена Нобелевская премия. Оказалось, впрочем, что теоретиками эти результаты были давно предсказаны.

2. Свет и тьма «горячей» Вселенной

«Всегда очень трудно сознавать, что те числа и уравнения, которыми мы забавляемся за нашими столами, имеют какое-то отношение к реальному миру», — сказал однажды лауреат Нобелевской премии С. Вайнберг. Может, это был прозрачный намек физикам-экспериментаторам на их излишнюю недоверчивость — или невнимательность? — к выводам, получаемым «на кончике пера»? Скорее всего так, ведь еще в 20-х годах из решений уравнений гравитации А. Эйнштейна, полученных выдающимся советским физиком А. Фридманом в первой половине 20-х годов, следовало, что в зависимости от средней плотности вещества Вселенная может либо бесконечно расширяться, либо под влиянием сил гравитации сжиматься.

Фридмановскую модель расширяющейся Вселенной вскоре подтвердило открытие американского астронома Э. Хаббла. Он обнаружил, что в спектрах далеких галактик наблюдается так называемое красное смещение, причем тем большее, чем дальше галактики находятся от Земли. Из школьного курса физики известно, что, согласно эффекту Доплера, длина световой волны увеличивается, если излучающий объект, в данном случае галактика, удаляется от нас. Или другой широко известный пример с гудом самолетных турбин: если машина приближается к наблюдателю, звук становится выше, если удаляется — ниже; в последнем случае волны как бы удлиняются, то есть происходит смещение спектра в сторону более длинных волн.

То же самое происходит и в спектре радиоизлучения разлетающихся галактик. Однако самым поразительным было то, что по характеру красного смещения оказалось возможным определить возраст расширяющейся Вселенной.

Но вот вопрос: что послужило начальным толчком для такого расширения? И почему чем дальше от нас находятся галактики, тем быстрее они разлетаются?

Своеобразной точкой отсчета для современного этапа эволюции Вселенной является Большой взрыв. Примерно к такому выводу пришел американский физик русского происхождения Георгий Гамов, опубликовавший в 40-х годах три небольшие заметки в «Физикал Ревю», в которых изложил теорию, ныне широко известную под названием «горячей» Вселенной, или Большого взрыва.

В самом деле. Допустим, мы наблюдаем какое-то событие, начало которого застать не удалось. Видя разлетающиеся с огромной скоростью обломки, можно судить о силе первоначального толчка. Применительно к разлетающимся галактикам роль первотолчка сыграл Большой взрыв. Точно так же по остывающему при расширении веществу, излучению и другим его «отголоскам» удалось установить, что примерно 20 млрд. лет назад (по другим оценкам — 15 млрд. лет) Вселенная была чрезмерно сжата и очень горяча. Насколько?.. И как быстро произошло то событие, которое сыграло весьма заметную роль в деле дальнейшего обустройства нашей Вселенной?

Осведомленность физиков в этом вопросе поражает воображение. Так, утверждается, что в момент времени, близкий к начальному, все вещество Вселенной, имея температуру 10³¹ К и плотность 10⁹³ г/см³, занимало скромный, размером с протон, объем. Далее первичный огненный шар начал расширяться — сначала быстро, потом гораздо медленнее. Дальнейший сценарий его эволюции едва ли не с секундной точностью современной наукой написан. Кроме, пожалуй, наиболее интересного начального этапа, когда вещество нашей Вселенной было собрано в одну точку, несколько туманно именуемой сингулярностью. Неизвестно лишь, что представляют собой свойства этой точки, ибо основные законы природы, которыми мы пользуемся, в том числе и важнейшие пространственно-временные соотношения, никак не могут оставаться справедливыми при тех экстремальных условиях, что присущи сингулярности. В этой — особой — точке теряют смысл даже такие фундаментальные понятия, как «раньше» и «позже», «причина» и «следствие»…

Теперь от волнующей, но непознанной сингулярности мысленно перенесемся к одному из важнейших этапов расширения Вселенной, который физики буднично называют радиационным. В это время первичный огненный шар все еще был непрозрачен для электромагнитного излучения — в нем вещество находилось в тепловом равновесии. Давление фотонного газа в мгновение ока разрушало любой образовавшийся сгусток вещества. В свою очередь, свободные электроны с их свойством рассеивать излучение решительно «пресекали» любые попытки фотонов покинуть пределы огненного шара. Лишь через миллион лет после Большого взрыва (или, как сказали бы астрофизики, при красном смещении 1055), когда температура огненного протонно-электронно-фотонного шара упала ниже 4000 К, появились на свет первые атомы водорода.

Именно на свет. Ибо связанные, то есть занявшие ядерные орбиты, электроны уже оказались не в состоянии столь интенсивно, как прежде, рассеивать излучение. Поэтому взаимодействие фотонов с веществом ослабевает, излучение как бы отрывается от вещества! Итак, свет появляется на свет лишь в первое миллионолетие Вселенной. Как не вспомнить в этой связи в свое время сильно смущавшую отцов церкви (и потому, наверное, вызвавшую сильный их гнев) фразу Смердякова из «Братьев Карамазовых»: «Свет создал господь бог в первый день, а солнце, луну и звезды — на четвертый. Откуда же свет-то сиял в первый день?»

За сей каверзный вопрос его автор был, как известно, бит.

Как видно, новейшие открытия астрофизики, проливающие, так сказать, свет на одно из самых темных мест Библии, сегодня заодно позволили бы гораздо корректнее ответить любознательному герою Достоевского!

Вернемся, впрочем, к тому времени, когда свет впервые появился на свет. Продолжая остывать, вещество под действием сил гравитации понемногу стало собираться в сгустки и скопления, образуя зародыши будущих галактик. А излучение? В момент отрыва от вещества оно как бы «сфотографировало» начальные неоднородности в структуре развивающейся Вселенной. Зажив независимой жизнью, это фоновое излучение продолжает как бы нести в себе, а точнее сказать, в своем распределении интенсивности отпечаток Вселенной в миллионолетнем возрасте. В нем навечно запечатлены те изначальные зародыши и возмущения первичного огненного шара, рост которых в дальнейшем привел к зарождению галактик, образованию их скоплений и сверхскоплений. Измеряя распределение этого излучения на небесной сфере, «археологи космоса» получают редчайшую возможность, заглянув в далекое прошлое Вселенной, запечатлеть ее в юном — по вселенским, разумеется, масштабам миллионолетнем возрасте и даже построить радиокарту. Наблюдение любого иного из всех известных на сегодняшний день галактических объектов не позволяет разглядеть столь мелкие и столь далеко в пространстве и времени находящиеся «кирпичики» нашего мира.

3. Охота за большим косинусом

Многие аспекты теории «горячей» Вселенной, развитые отечественными и зарубежными учеными предсказывают существование неоднородности — анизотропии — в микроволновом фоновом излучении на уровне сотой и даже тысячной доли процента. Второе десятилетие подряд на 600-метровом радиотелескопе АН СССР, или сокращенно РАТАН-600, и других крупнейших радиотелескопах планеты предпринимаются отчаянные попытки обнаружить мелкомасштабную анизотропию реликтового излучения, что помогло бы астрофизикам и космологам разобраться, как шло развитие отдельных «кирпичиков» нашей Вселенной. Чувствительность имевшихся приборов позволяет оценить лишь верхний предел неоднородности: 10^-4–10^-5. Однако не меньший интерес представляет рассмотрение и таких вопросов: как происходило развитие первичного огненного шара? Всегда ли Вселенная расширялась с одинаковым темпом? Наконец, как Земля и Солнечная система движутся относительно «первичной» Вселенной?

Ответить на эти вопросы можно, если знать, как распределяется радиояркостная температура фонового излучения на небесной сфере. Иными словами, насколько однородно или неоднородно реликтовое излучение, подчиняется ли оно, скажем, законам тригонометрического косинуса или каким-либо иным? На жаргоне астрофизиков новое научное направление получило название «охота за большим косинусом в небе».

Название, конечно, шутливое. А вот поиски были развернуты нешуточные.

Не будем перечислять всех подчас весьма изощренных экспериментов, к которым прибегали исследователи многих стран, пытаясь измерить реликтовое излучение. Главное условие всех опытов — поистине космическая точность, чувствительность измерений. Об уровне требований, предъявляемых к приборам, красноречиво говорит такое сравнение. Чтобы определить метеорологическую обстановку в каком-либо районе Земли, приходится определить температуру земной суши и поверхности океана с точностью до градуса; приборам, диагностирующим состояние здоровья человека, необходимо измерять температуру его тела с точностью до 0,1 градуса. Но чтобы решить задачу, связанную с «самочувствием» Вселенной, радиоастрономам было бы желательно знать температуру с точностью до стотысячной доли градуса. Последнее же означает, что если ложку кипятка размешать в бассейне холодной воды, то в этом случае температура как раз и «подскочит» на такую долю градуса!

Ну а в дальнейшем эту самую «ложку кипятка» экспериментаторы должны суметь разглядеть на фоне «Ниагарского водопада», горячей воды, низвергаемой с небес Солнцем, атмосферой, летящими в небе самолетами и т. д. и т. п.

Пытаясь избежать помех, американские и итальянские радиоастрономы стали проводить наблюдения с борта самолета, аэростатных гондол, поднятых на высоту до 20 км. Однако и в этом случае точность и эффективность опытов были очень низки. Так, за 15 лет исследований реликтового излучения, проводимых с самолетов и аэростатов, американские радиоастрономы работали в режиме измерения лишь 240 ч, то есть на год подготовки приходилось менее суток «чистого» наблюдательного времени.

Известный советский астроном Н. С. Кардашев еще в конце 60-х годов высказал идею об изучении реликтового излучения с помощью радиотелескопов, поднятых на борт искусственных спутников Земли. Преимущества нового способа исследования были очевидны и вскоре общепризнанны: выбором соответствующей, с очень высоким апогеем спутниковой орбиты можно избавиться от тепловых помех Земли, ее атмосферы и т. п. А самое главное — за год работы с помощью ИСЗ можно получить такой же объем информации, как и при наземных экспериментах продолжительностью почти в полвека!

Итак, идея была ясна в подробностях, спутники на такие орбиты запустить можно, установка радиотелескопа на них технической сложности также не представляла… Дело было лишь за специальным параметрическим усилителем, работающим в паре с бортовым радиотелескопом. И такой прибор, способный регистрировать тепловой контраст участков небесной сферы в десятитысячную долю градуса, был в короткое время создан В. Корогодом, А. Косовым, Д. Скулачевым под руководством И. Струкова.

Что можно сказать о приборе, способном измерить разность мощностей излучения в 10^-27 Вт?

Чтобы лучше прочувствовать трудности, которые возникают при подобного рода экспериментах, достаточно привести слова одного из итальянских исследователей анизотропии фонового излучения Ф. Мельхиорри: «Исследовавшиеся сигналы имеют тот же порядок величины, что и естественное тепловое излучение мыши, находящейся в 50 км от детектора».

Чтобы понять, много это или мало, сравним ее с сигналом минимальной мощности, которую может принять идеальный, то есть абсолютно нешумящий усилитель.

На первый взгляд может показаться, что идеальная измерительная установка, из которой «извлечены» все источники внутренних шумов, способна принимать любой, сколь угодно малый сигнал. Однако это не так: парадоксальным оказывается само предположение о создании нешумящего усилителя, поскольку оно ведет к нарушению принципа неопределенности.

В самом деле, минимальная порция энергии, на которую реагирует приемная система, не может быть меньше энергии одного фотона. Поскольку приемное устройство регистрирует не более фотона в секунду, то для рабочей частоты 37 Гц это соответствует пороговой мощности примерно 3 x 10^-23 Вт. Выходит, идеальный усилитель должен работать с излучением в 1000 раз более слабым, чем его пороговая мощность? Как сказал по этому поводу один из физиков, это все равно, что в лупу часовщика рассматривать вирус или пытаться взлететь на аэробусе, оснащенном движком от «кукурузника». Заметим, кстати, что мы рассмотрели случай с прибором идеальной чувствительности. Настоящий же, созданный для эксперимента «Реликт» параметрический усилитель имел, само собой разумеется, в несколько раз больший шумовой уровень.

И все-таки карта распределения интенсивности реликтового излучения на небесной сфере была построена.

4. Что нашли «археологи космоса»

Чтобы выделить слабый сигнал, безнадежно утонувший в шумах аппаратуры, конструкторы уникальных приборов прибегли к весьма остроумному способу, который не раз выручал археологов, имеющих дело со старыми документами, со стертыми или утраченными надписями и т. д. и т. п. Документ несколько раз фотографируют в различных спектральных диапазонах. Затем полученные изображения складывают друг с другом. Случайные помехи — шумы! — пропадают, а вот характерные детали, пусть даже и невидимые на каждом отдельном снимке, складываясь, усиливают друг друга. Точно так же действовало и приемное устройство, разработанное физиками специально для эксперимента «Реликт»: шумы, даже превышающие слабый полезный сигнал, удается уменьшить, благодаря многократным наблюдениям за одним и тем же участком. Уровень помех по сравнению с полезным сигналом при этом уменьшался как корень квадратный из числа измерений.

По условиям эксперимента уровень шума нужно уменьшить ни много ни мало в 1 млн. раз. Число измерений, совершаемое каждую секунду, пропорционально, как известно, полосе принимаемых частот. Приемное устройство бортового радиотелескопа благодаря полосе шириной в 400 МГц позволяло в течение года работы обследовать 1500 элементов небесной сферы 4300 млрд. раз. Погоня за количеством имела своей целью резкое улучшение качества приема космологического фона: уровень аппаратурных шумов удалось уменьшить в 2 млн. раз.

Некоторое представление о том, какие чисто технические трудности пришлось преодолевать молодым ученым при создании уникального прибора, дает следующий пример, иллюстрирующий создание одного из устройств, входящих в состав не самого сложного — контактного устройства.

Представьте себе лунку, сделанную в полупроводниковом кристалле диаметром 3 мкм, и позолоченную пружинку толщиной с человеческий волос и длиной всего 0,5 мм. Пружинку изгибают по сложному профилю и, заострив с одного конца, попадают ею в лунку так, чтобы обеспечить надежный электрический контакт. 40 млрд. раз в секунду через это устройство будет проскакивать электрический разряд с фантастической плотностью 10⁹ А/м². Это в несколько раз выше, чем в канале ствола молнии!

Характерная деталь: микроскопический контакт должен работать даже в экстремальных условиях без малейшего сбоя в течение нескольких лет, причем заточенное жало пружинки не должно и на микрон сдвинуться в сторону ни при выводе спутника «Прогноз» на орбиту, ни в других экстремальных условиях.

Итак, эксперимент завершен. И хотя обработка результатов будет еще продолжаться, я прошу Игоря Струкова сказать несколько слов о его итогах.

— Выполнение наблюдения позволяет сделать предварительные суждения о характере перемещения нашей Галактики в пространстве. Со скоростью около 515 км/с она движется в направлении ближайшего скопления галактик в созвездии Девы. Угол между вектором скорости и направлением на галактические скопления составляет приблизительно 50°.

Одним из самых интересных и неожиданных результатов явилось то, что интенсивность излучения Млечного Пути на волне 8 мм оказалась значительно выше, чем по ранее сделанным оценкам. Это, по-видимому, связано с существованием гигантских объемов ионизированного водорода, расположенных в спиральных областях нашей Галактики. Такие области, заполненные плазмой и ослабляющие проходящее сквозь них излучение, получили название Н II области. Масса наиболее крупных из них превосходит Солнце в сотни тысяч раз, температура достигает 10 000 К.

Подмечена такая любопытная закономерность. Чем меньше Н II — область, тем выше в ней плотность водорода. Объяснение этому факту пока не найдено. Ряд областей удалось отождествить с объектами, наблюдаемыми с помощью оптических телескопов, другие видны только в радиодиапазоне. Установить причины их возникновения и найти разгадку столь необычной зависимости плотности плазмы от размеров области — дело дальнейшего.

Самым же главным достижением эксперимента «Реликт» является безукоризненная работа уникального радиотелескопа, превосходящего по своим характеристикам все зарубежные аналоги. Удалось добиться настолько высокой его чувствительности, что он различал две точки на небесной сфере, если их температура разнилась всего лишь на десятитысячные доли градуса. Судя по сообщениям зарубежной печати, чувствительность созданного советскими учеными радиометра вдвое выше, чем у подобного прибора на американском спутнике СОВЕ, запуск которого еще только планируется. «Прогноз-9» подтвердил высокую однородность распределения по небу яркости реликтового излучения. Никаких, даже слабых, эффектов, предусматриваемых другими моделями Вселенной, обнаружено не было, что уже ставит эти модели под сомнение.

Сегодня идет подготовка нового проекта — «Реликт-2». Существенной особенностью новых исследований крупномасштабной анизотропии реликтового излучения станет охлаждение приемника излучения и антенны, что повысит чувствительность аппаратуры еще втрое-четверо по сравнению с достигнутой в проекте «Реликт-1».

При столь высокой чувствительности основной радиотепловой помехой станет излучение Солнца, Земли и Луны. Чтобы этого избежать, космический аппарат планируется вывести в окрестность гак называемой точки либрации. В этой точке, удаленной на расстояние полутора миллионов километров от Земли, спутник будет находиться в состоянии относительного равновесия.

И тогда космические эксперименты предоставят в наше распоряжение информацию о ряде космологических особенностей Вселенной, зашифрованных в реликтовом излучении, о распределении на небесной сфере скоплении и сверхскоплений галактик, а может быть, и о новых космических радиоисточниках.