Журналист The New York Times Деннис Овербай (Dennis Overbye) побывал в небольшом местечке Холмдейл, где находится известная на весь мир рупорно-параболическая антенна. С помощью этого прибора 60 лет назад астрономы сделали открытие, изменившее представление людей о Вселенной. Овербай показал, как сейчас выглядит рупорная антенна, и пообщался с ученым, причастным к открытию. Издание «Северный маяк» публикует перевод статьи американского журналиста.

Прямо на поле чуть ниже вершины Кроуфорд-Хилл, самой высокой точки округа Монмут в штате Нью-Джерси, расположено скопление лачуг и сараев. Рядом с постройками стоит большая рупорная антенна, которую в прошлом астрономы использовали как радиотелескоп. Она чем-то напоминает гигантский ковш: алюминиевый ящик длиной около 15 метров, с сужающимся 20-сантиметровым отверстием, через которое радиоволны попадают в «кабину» — деревянную хижину на сваях, где размещались оборудование и пульт управления. 

В мае 1964 года два молодых астронома Арно Пензиас (Arno Penzias) и Роберт Вильсон (Robert Wilson), которые работали на этом радиотелескопе, уловили жуткий гул. Ученые думали, что помехи вызваны голубями, которым очень понравилось жить внутри «ковша». Когда же гнезда птиц убрали, а голубей прогнали, помехи все равно остались. И только спустя год стало ясно, что «жужжание» на самом деле имеет неземное происхождение. Оказалось, что ученые «услышали» эхо Большого взрыва — открыли реликтовое излучение (космический микроволновый фон). 

До момента открытия реликтового излучения многие ученые спорили о том, было ли у Вселенной начало. Пензиас и Вильсон поставили точку в этом вопросе. А еще их открытие перенесло «начало времени» в лабораторию, где теперь с ним могли экспериментировать: «сжимать», «растягивать», «делить на части». В шепоте Вселенной, услышанном двумя американскими астрономами, закодированы следы событий, произошедших, когда свет впервые пронзил космический мрак.

В 1978 году Пензиас и Вильсон получили Нобелевскую премию «за открытие микроволнового реликтового излучения», а в 1988 году рупорно-параболическую антенну в Холмдейле признали национальным историческим памятником, символом изобретательности, любознательности и настойчивости.

Астроном Пензиас ушел из жизни в 2024 году. Роберт Вильсон, которому недавно исполнилось 88 лет, до сих пор живет в Холмдейле и хранит ключи от антенны. 

Статья по теме: Радиотелескоп на Луне: мечта ученых, которая скоро может стать реальностью

Сегодня антенна находится в центре спора о недвижимости: новый владелец участка хочет построить там жилой комплекс для престарелых и, вероятно, перенести антенну в другое место. Местные жители восприняли эту идею в штыки. Когда Деннис Овербай с фотографом направлялись к дому Вильсона, на их пути попадались десятки табличек: «Спасите Кроуфорд Хилл», — гласили они. «Спасите рупорную антенну».

Проблема с голубями

Рупорно-параболическую антенну построила лаборатория Белла в 1959 году в рамках проекта NASA под названием Project Echo. Антенна предназначалась для приема отраженного от пассивных спутников-отражателей (гигантских высотных воздушных шаров) радиоизлучения. Предполагалось, что такие системы могли бы использоваться в качестве средств дальней связи, для переотражения в конкретную область направленного в небо сигнала.

Когда проект завершился, лаборатория Белла передала антенну двум молодым астрономам: 

— Арно Пензиасу, который родился в нацистской Германии, бежал оттуда вместе с семьей в 1939 году и получил докторскую степень уже в США в Колумбийском университете; 

—  Роберту Вильсону, радио-вундеркинду из Хьюстона, получившему докторскую степень в Калифорнийском технологическом институте. 

Когда ученые приступили к работе, ни о каком открытии «начала времен» никто из них не помышлял. С помощью антенны астрономы надеялись измерить яркость галактик. Чтобы получить точные физические параметры нужного космического тела, Пензиас и Вильсон сперва откалибровали антенну на источниках, яркость или температура которых были известны. 

«В конце мая 1964 года мы все откалибровали и приступили к исследованиям, но случился неприятный сюрприз — на какой бы участок неба мы не направили радиотелескоп, всюду слышалось странное шипение. Радиоприемник регистрировал сигнал даже когда в створе антенны не было никаких спутников. В тот момент небо казалось слишком теплым, хотя, по идее, оно должно было быть гораздо холоднее», — поделился воспоминаниями Вильсон. 

Статья по теме: Кто придумал «Большой взрыв»?

Шумовая температура составляла минус 269,65 градусов Цельсия (чуть больше трех кельвинов), что выше абсолютного нуля (минус 273,15 градусов), последнюю температуру ученые ожидали зарегистрировать от космического пространства. Пензиас и Вильсон посчитали, что возникла какая-то ошибка. Посторонние помехи исключались, потому что именно для их отсекания и была построена такая рупорная антенна, стенки рупора прекрасно подавляли все ненужные лепестки диаграммы направленности.

Тогда ученые вспомнили о голубях, которые повадились сидеть внутри антенны и часто оставляли там помет. Но когда ученые прогнали голубей и вычистили антенну, шум никуда не исчез, он сводил с ума ученых на протяжении года.

«Мы были в тупике», — рассказал Вильсон. 

Ученые из Принстона

В 1964 году в нескольких километрах от Холмдейла в Принстоне физик Роберт Дикке (Robert Dicke) и его студенты пытались определить условия, при которых могла возникнуть Вселенная, если у нее действительно было начало. Преподаватель и его ученики пришли к выводу, что, если толчок всему и дал Большой взрыв, в первые доли секунд после него температура должна была достигнуть миллионов градусов, чтобы поддерживать термоядерные реакции и запустить синтез тяжелых элементов из первичного водорода.

Дикке полагал, что излучение, появившееся в момент Большого взрыва, все еще заполняет космическое пространство. Но по мере расширения, Вселенная стала охлаждаться и остыла до температуры минус 271,5 градуса Цельсия (двух кельвинов), что выше абсолютного нуля на несколько градусов. Физик заключил, что если температура этого излучения действительно всего несколько кельвинов, значит, оно приходится на микроволновый диапазон электромагнитного спектра. То есть, по идее, его можно зарегистрировать с помощью микроволнового диапазона.

Иными словами в 1964 году Дикке предсказал существование реликтового излучения. Однако ученый, как он утверждал позднее, забыл, что аналогичную мысль в 1948 году выдвинул советский и американский физик-теоретик Георгий Гамов. 

В любом случае, Дикке поручил двум аспирантам — Дэвиду Уилкинсону (David Wilkinson) и Джиму Пиблсу (James Peebles), сконструировать радиометр, чтобы проверить гипотезу и попробовать «поймать» это излучение. Когда ученые собрались вместе, чтобы разработать план действий, в кабинете зазвонил телефон. На другом конце провода раздался голос Пензиаса, который рассказал о странностях радиотелескопа. Дикке повесил трубку и сообщил своим подопечным: «Ребята, нас опередили».

Чуть позже две группы ученых встретились и написала несколько научных работ по теме, которые затем опубликовали в журнале Astrophysical Journal. Пензиас и Вильсон, работавшие в Холмдейле с рупорно-параболической антенной, в своем исследовании описали радиошум, который они постоянно регистрировали. А группа Дикке предположила, что в наблюдениях коллег речь может идти об остаточном тепле Большого взрыва. Физик и его команда провели независимые измерения и подтвердили существование реликтового излучения, а также дали теоретическое объяснение результату Пензиаса и Вильсона.

В следующие десятилетия к исследованию реликтового излучения присоединились другие астрономы и астрофизики, они пытались «прощупать» космический микроволновый фон на разных частотах и определить его спектр. Для этого астрономические наблюдения переместились на вершины гор, Южный полюс, воздушные шары и в космос, где приборы могли изучать микроволны на всех частотах (микроволны определенных частот поглощаются влагой в атмосфере). 

В ноябре 1989 года NASA отправило в космос обсерваторию Cosmic Background Explorer (COBE), главной задачей которой было изучение реликтового фона Вселенной. Аппарат справился с этой задачей с беспрецедентной точностью. Оказалось, что фоновое микроволновое излучение приходит необычайно равномерно из всех направлений на небесной сфере, а его спектр соответствует спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 2,725 кельвина (минус 270,45 градусов Цельсия), что на 2,7 градуса выше абсолютного нуля. Результат, близкий к результату Пензиаса и Вильсона, полученного в 1964 году (минус 269,65 градусов). 

Космическая обсерватория COBE сделала еще одно важное открытие. Выяснилось, что реликтовое излучение обладает температурной неоднородностью, оно испещрено пятнами больших размеров: красными (горячими) и синими (холодными). То есть иногда наблюдаются флуктуации (изменения) температуры по направлениям. Амплитуда этих флуктуаций очень маленькая: среднее отклонение составляет около 10⁻⁵ от средней температуры реликтового излучения.

В 2001 году космический микроволновой телескоп WMAP, который также предназначен для изучения реликтового излучения, обнаружил в созвездии южного полушария Эридан аномалию, которую ученые назвали «холодным пятном». Температура реликтового излучения в районе пятна на 70 микрокельвинов ниже, чем в среднем, а в центре пятна температура падает вообще на 150 микрокельвинов. Объяснить эту аномалию пока не получается. 

В любом случае, результаты последующих измерений космического микроволнового фона подтвердили правоту стандартной космологической модели, предполагающей, что Вселенная на 68 процентов состоит из темной энергии, на 27 процентов из темной материи и на пять процентов из обычной материи (барионного вещества), и утверждающей, что она расширяется после Большого взрыва, случившегося 13,8 миллиардов лет назад.

Излучение микроволнового спектра, которое «поймали» Пензиас и Вильсон в 1964 году, датируется примерно 380 тысячами лет после Большого взрыва, когда вся Вселенная была такой же горячей, как сегодня поверхность Солнца (температура поверхности Солнца — 5499 градусов Цельсия). В то время только стали появляться первые атомы, испускающие свет.

Статья по теме: Может ли что-то двигаться быстрее скорости света?

Однако это излучение несло в себе следы событий, которые произошли через одну триллионную долю секунды после Большого взрыва. Космологи предполагают, что в этот крошечный момент Вселенная испытала кратковременный, но сильный всплеск гиперрасширения, известный как инфляция. Такая «вспышка» должна была породить «рябь» в пространстве-времени — гравитационные волны, которые «отпечатались» в космическом микроволновом фоне. В 2014 году астрономы, проводившие эксперимент Bicep2, основная цель которого исследование реликтового излучения, заявили, что смогли обнаружить эту рябь, но, как затем выяснилось, полученные данные оказались ошибочны. Причина ошибки — влияние пыли. Гипотеза космической инфляции так и не подтвердилась.

Рупорно-параболическая антенна и ее герои

Роберт Вильсон покинул лабораторию Белла в 1994 году и до самой пенсии работал старшим научным сотрудником в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики. После завершения карьеры астронома Арно Пензиас занимал пост вице-президента и главного научного сотрудника в компании по производству телекоммуникационного оборудования Lucent Technologies до 1998 года. К сожалению, 22 января 2024 года Пензиас ушел из жизни, ему было 90 лет.

Сейчас Вильсон вместе с местными жителями борется за спасение рупорной антенны, новый владелец участка, где она стоит, хочет перенести ее в другое место, чтобы освободить землю для строительства дома престарелых. 

«Я хочу, чтобы антенна осталась на месте. Есть идея признать зону, в которой она находится, парковой, чтобы в будущем ограничить любые притязания на нее. Антенна уже несколько раз страдала от рук вандалов, они разбили окна в хижине, в которой когда-то стояла основная аппаратура. Ее обязательно нужно защитить», — поделился своими мыслями Вильсон. 

В июне 2023 года комитет Холмдела проголосовал за то, чтобы сделать первый шаг в признании части владений (14 гектаров), где находится антенна, парковой зоной, сославшись на «общественное мнение». На эти цели планируется выделить 5,5 миллионов долларов. Такое решение комитет принял после петиции, собравшей более восьми тысяч подписей и общественного резонанса.