Неоднородности реликтового излучения — одна стотысячная от его температуры. Когда говоришь с обычными людьми, они думают, что невозможно их увидеть, потому что такое соотношение не представляется достаточно контрастным для нашего мозга: как мы можем столь микроскопические вещи увидеть на каком-то фоне, а если добавить, что на это накладывается излучение нашей Галактики, то становится еще сложнее.
Несмотря на то что это сложная задача, человеческая цивилизация развивалась и подходила к тому, чтобы решить ее. Было несколько моментов, когда все стояли на пороге открытия, когда предсказали, как это можно сделать, и не сделали.
Начать историю о реликтовом излучении можно с Эдвина Хаббла, когда было показано, что Вселенная расширяется. Человеческий ум любит решать обратные задачи: раз Вселенная расширяется, давайте изменим время на противоположное, а значит, при движении назад в прошлое она будет сужаться. Это естественное решение, к нему пришла группа теоретиков, которой руководил астрофизик Георгий Гамов, также известный как Джордж Гамов, наш соотечественник, уехавший в США в 1933 году, благодаря чему и выжил. Его постдоки Ральф Альфер и Роберт Герман сделали расчеты, что если бы Вселенная была горячей, то она должна была пройти через два этапа: первый — из водорода должен был бы появиться гелий, второй — водород стал бы нейтральным, тогда излучение, которое было в плазме, должно было отделиться от ионизованного водорода и свободно проходить через вещество.
Хотя эти работы были опубликованы в журнале и даже были известны, но на них мало ссылались раньше. Сейчас, зная эти работы, мы на них ссылаемся. Там было к чему придраться: они написали не одну работу, а несколько, потому что они что-то переделывали, подправляли. Потом Гамов написал свою работу, в которой сделал независимую оценку: хотя и неправильным способом, но его температура была достаточно близка к тому, какой она должна быть, — около 3 градусов Кельвина. Хорошо, есть предсказание, теория, возникает вопрос: можно ли увидеть реликтовое излучение?
Когда группа Гамова делала свои прогнозы, знание о том, что реликтовое излучение уже было у человечества, у ученых имелось, нужно было его понять. В это время публикуется работа канадского астрофизика Эндрю Маккеллара, который измерял температуру возбуждения молекул циана при подсветке звездами. Обнаружилось, что все молекулы циана возбуждены, а температура их нижнего уровня возбуждения — 3 градуса Кельвина. То, что возбуждение связано с взаимодействием с фотонами реликтового излучения, было неизвестно. Если бы это было известно, эволюция человечества пошла бы другим образом: мы бы не потеряли 40 или 20 лет, потому что технологии развиваются очень быстро, и было бы понятно, куда двигаться. Мы только знаем, что знания накапливаются экспоненциально, все происходит, как происходит.
Спустя 20 лет после предсказания группой Гамова существования реликтового излучения и их прогноза первичного химического состава, был оценен химический состав Вселенной. Оказалось, предсказания середины 1940-х годов, что должно быть 75% водорода, 25% гелия и сотые доли процента всех остальных элементов, были подтверждены через 20 лет, и в 1965 году было открыто реликтовое излучение.
До открытия реликтового излучения в Советском Союзе также были работы в этой области, и впоследствии ученые испытали гигантское разочарование от того, что знание было в руках, но преследовало невезение. В 1957 году Тигран Шмаонов, ученик Семена Хайкина и Наума Кайдановского, в Пулковской обсерватории делал измерения фона неба и определил, что существует неудаляемый шум приемника в сантиметровом диапазоне. Шум не зависит от направления на небе, его свойства постоянны. Он написал об этом статью в журнале «Приборы и техника эксперимента» (1957), который даже переводился, но он был неизвестен. Так это все и осталось. Он действительно увидел, что что-то есть, его работа вошла в кандидатскую диссертацию.
В 1964 году Андрей Дорошкевич, Игорь Новиков и их учитель Яков Зельдович, один из величайших космологов мира, создали современную релятивистскую космологию, первый отдел — всего три человека. Когда Я. Б. Зельдович вернулся после работы над созданием атомной бомбы, и с ним А. Г. Дорошкевич, Яков Зельдович пригласил И. Д. Новикова работать в своем отделе, потом отдел разросся, и стало много известных имен: Старобинский, Шварцман, Сюняев, Бисноватый-Коган, Лукаш, Шандарин — всех называть долго. Сейчас все они известные ученые.
В этой группе большинство, в том числе и сам Зельдович, считали, что начало Вселенной было холодным. Дорошкевич и Новиков, в противоречие общим темам и общим исследованиям, посчитали, что если работы Гамова верны и Вселенная была горячей, если бы реликтовое излучение было и мы бы его могли увидеть, то как бы оно выглядело, на каких частотах. Они задались вопросами, как можно увидеть в наблюдении, какая должна быть аппаратура, чтобы его выделить. Они показали, что есть синхротронное излучение в сантиметровом диапазоне, инфракрасное излучение, мешающее в субмиллиметровом диапазоне, и есть промежуток в миллиметрах, где, если бы Вселенная была горячей, можно было наблюдать минимальные помехи. Посмотрели, есть ли такое оборудование, и им оказалась рупорная антенна в лаборатории Bell. Они указали в своей работе, что есть лаборатория Bell Lab, где есть оборудование, с помощью которого можно наблюдать реликтовое излучение. Работа вышла в «Докладах Академии наук» — это был переводной журнал, но малоизвестный в то время, и никто на нее внимания не обратил.
В США в лаборатории Bell в 1964 году, после выхода работы Дорошкевича, Новикова, на рупорной антенне, которую они описывали в своей статье, Арно Пензиас и Роберт Вильсон занимались исследованием способов передачи информации с помощью шаров, покрытых металлической пленкой, передачи радиосигналов по отражению. Они занимались исследованием помех, которые бы этому мешали, и обнаружили шум, который совершенно невозможно удалить.
Существует много различных историй, как они вычищали от голубиного помета свою антенну, как они исследовали свойства приемника, свойства атмосферы Земли, чтобы понять, что это за шум, но он был неудаляемым. Его температура оценивалась в 4 градуса Кельвина плюс-минус полтора кельвина. Они сделали доклад на семинаре у Бернарда Берка, человека, который руководил отделом радиоастрономии в Массачусетском технологическом институте. За месяц до этого у Берка выступали Джим Пиблс и Роберт Дикке с общей работой о том, что можно было бы наблюдать реликтовое излучение, если бы Вселенная была горячей. Они делали расчеты наподобие того, что уже сделали Дорошкевич и Новиков. Берк подумал, что, наверное, это оно, и свел две группы. Представляете, если бы в 1957 году Тиграна Шмаонова свели бы с Дорошкевичем и Новиковым, у нас была бы в кармане Нобелевская премия, но это произошло в Америке.
Пензиас и Вильсон не считали, что Вселенная была горячей, хотя они открыли реликтовое излучение. Они настояли, чтобы с ними в соавторах не было Пиблса и Дикке — работа Пиблса, Дикке и Вилкинсона вышла в свет в Astrophysical Journal вслед за статьей Пензиаса и Вильсона. Это была статья про открытие шума, равномерно распределенного по небу, и статья, которая объясняет этот шум.
Стало понятно, что сделано открытие одного из самых важных в истории человечества знаний — о том, что Вселенная была горячей. Когда присудили Нобелевскую премию Пензиасу и Вильсону за открытие, возникло ощущение, что работы Гамова пропали даром, было внутреннее напряжение. Уже позднее Альферу вручили специальную премию в 2000-е годы, подтверждающую, что действительно сделана большая работа и они были первыми, но у них не было явного доказательства его наблюдаемости, очень долго оно не поддерживалось физиками, потому что работа была опубликована в непрестижном журнале второго уровня.
Дальше началась большая драма: мы есть, структуры есть, реликтовое излучение однородно. Когда открыли реликтовое излучение, Пензиас в своей лекции сказал, что советские астрофизики Андрей Дорошкевич и Игорь Новиков за год до этого предсказали, где это можно наблюдать. И есть такое ощущение, что в связи с тем, что нашими соотечественниками была опубликована эта работа, никто из теоретиков, Пиблс или Дикке, не получил Нобелевскую премию, потому что советская работа была раньше, тогда возникает приоритет, а должен быть только один человек. Так получилось, что никому не дали премию за теорию: ни группе Гамова, ни группе Дикке, ни группе Зельдовича. Премия осталась в Bell Lab.
Дальше возникло больше вопросов: есть реликтовое излучение и неоднородности. Стали искать неоднородности, и первые прогнозы показали, что соотношение между температурой и флуктуациями должно быть на уровне 10-3 — это предсказание группы Зельдовича в «блинной» теории: предполагалось, что формируются скопления галактик, как блины. Последовали гидродинамические расчеты, которые показали, что возникают структуры, подобные тем, что мы видим во Вселенной. В этих структурах вещество собирается в блины, и они должны давать определенное отношение для неоднородностей распределения фотонов в реликтовом излучении, но это не было найдено.
Проводилось много экспериментов, в том числе и у нас. К примеру, наблюдательные эксперименты группы Ю. Н. Парийского на РАТАН-600 — это радиотелескоп Академии наук 600 метров диаметром, который находится в специальной астрофизической обсерватории. Три раза понижались уровни неоднородностей, устанавливались границы, и было показано, что излучение однородно, а скопления галактик существуют. Как такое может быть? Поэтому теория переделывалась. Десятки аналогичных экспериментов шли за рубежом: порядка 25 экспериментов точно занесены в таблицу, и их можно посмотреть в книгах, в том числе на сайте НАСА по исследованию реликтового излучения.
Российская группа Зельдовича, работы Полнарева, Иларионова, Дорошкевича, Старобинского показывали, какие неоднородности и как их можно создавать. Тогда же был предсказан эффект Зельдовича — Сюняева в 1969 году. Неоднородностей не было, их искали, развивали теории. Теория инфляции уже была разработана, а неоднородностей — нет. Запускался спутник «Реликт» для поиска неоднородностей на больших угловых размерах, но это был одночастотный спутник, что вызывало недоверие в его исследованиях у международной публики. Они что-то обнаружили, но не совсем то, что было открыто позднее, когда достоверно подтвердили существование неоднородностей. «Реликт» сказал, что он видит неоднородности, и привел карту, но не очень хорошего качества.
Карты, которые дальше были построены спутником COBE, отличались от того, что сделал «Реликт»: спутник COBE построил настоящую карту реликтового излучения. Проектом занимались три группы исследователей. Руководители двух групп — Джордж Смут, группа которого исследовала распределение фона, и Джон Матер, который измерял электромагнитный спектр реликтового излучения, — получили Нобелевскую премию за действительно выдающиеся открытия, из которых следовало, что мы можем измерять космологические параметры.
Дальше стало понятно, что точности не хватает для измерения космологических параметров и нужны другие миссии. Европа начала готовить свою миссию. И когда они готовили свою миссию, американцы подумали: «А что это? Давайте мы сделаем быстрее». И они сделали быстрее: буквально за четыре года подготовили спутник WMAP, который полетел в 2001 году. За два года они сняли все сливки, которые можно измерить. Спутник «Планк» полетел в 2009 году, когда уже большая часть космологической информации была получена.
Миссия WMAP пятичастотная. Спутник «Планк» девятичастотный. Он мог только подтвердить либо опровергнуть спектр, который измерил WMAP, и в итоге результаты были подтверждены. Была идея сделать большой каталог скоплений галактик с эффектом Зельдовича — Сюняева, и этот каталог был сделан, он состоял из 1600 скоплений. Мы увидели, что эффект работает, и, самое главное, хотелось получить Нобелевскую премию, по крайней мере поучаствовать в этом. Они показали, что не работает эффект гравитационных волн на том уровне обнаружимости, который был у «Планка», что мешает пыль, тем самым закрыли нашумевшее открытие BICEP-2 об открытии первичных гравитационных волн. Этому следует посвятить отдельный рассказ. Для нас это урок, что наука требует очень внимательного, аккуратного действия: нестрашно потерять первенство — страшно сделать серьезную человеческую ошибку. Наука прощает и это, как и всякое действие, — все идет нам на пользу.
