Что ищут «археологи космоса»? - Александр Николаев

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.