Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

После завершения работ по спутнику «Эхо-1» радиотелескоп в Холмделе был модифицирован. 10 июля 1962 г. NASA запустило 77-килограммовый спутник «Телстар-1» (Telstar 1), на котором впервые в мире была установлена приемо-передающая аппаратура для активной ретрансляции телевизионных изображений и телефонных переговоров. Этот эксперимент оказался очень успешным, именно с него началось межконтинентальное телевидение («Телстар-1» позволял осуществлять телефонную связь по 60 каналам или ретранслировать одну телепрограмму). Хотя для работы с новым спутником в Северной Америке и в Европе были построены специальные установки с антеннами большого диаметра, холмделская 60-сантиметровая установка тоже была задействована в предварительных экспериментах. Для этого ее приемник, настроенный на длину волны 12,6 см, заменили на 7,35-сантиметровый, поскольку на этой волне (частота 4,080 ГГц) работал «Телстар-1». Новый радиометр, как и прежний, был оснащен мазерным криогенным усилителем.

Вскоре после запуска «Телстара-1» холмделский радиотелескоп оказался не у дел — впрочем, ненадолго. В 1961 г. директор Лаборатории радиоисследований Руди Компфнер принял на работу аспиранта Колумбийского университета радиоастронома Арно Пензиаса, которому тогда оставался год до защиты докторской диссертации. По условиям контракта Пензиас мог половину рабочего времени тратить на исследования по своей специальности, а половину — на выполнение программ Лаборатории. Сначала он действительно помогал коллегам-радиоинженерам, а позднее смог заняться собственными проектами. Фактически с этого времени Пензиасу (к слову, уроженцу Мюнхена, в шестилетнем возрасте вместе с братом вывезенному в Англию по программе эвакуации еврейских детей, а потом вместе с родителями приехавшему в Нью-Йорк) была предоставлена свобода в выборе темы исследований.

В начале 1963 г. Компфнер нанял еще одного радиоастронома, 27-летнего техасца Роберта Вудро Вильсона, получившего докторскую степень в Калтехе. В это время на 60-см рефлекторе уже не вели работ по спутниковой связи, так что Пензиас и Вильсон смогли воспользоваться им для радиоастрономических наблюдений. Сначала они адаптировали установку для этих нужд, что потребовало немалых усилий. Им предстояло сконструировать и изготовить новый радиометр с малошумящим мазерным усилителем на 7,35 см и провести детальные измерения чувствительности антенны, поскольку без этого было невозможно настроить и откалибровать аппаратуру телескопа. Пензиас и Вильсон хотели измерить интенсивность нескольких известных радиоисточников, а затем приступить к сканированию радиоизлучения нашей Галактики. Для этого они решили определить яркость излучений, приходящих на частоте 4,080 ГГц не с богатого звездами диска Млечного Пути, а из обширных пустот галактического гало, охватывающего весь небосвод. Теория утверждала, что их генерируют релятивистские электроны, движущиеся по искривленным траекториям в магнитных полях на периферии Галактики (такое излучение называется синхротронным). Ожидаемая интенсивность лучевого фона галактического гало была крайне мала, порядка 0,1° при измерении в тепловых единицах. Однако для прецизионной калибровки аппаратуры необходимо было ее точно определить.

Не стоит перечислять все переделки радиотелескопа, осуществленные Пензиасом и Вильсоном. Однако упомяну самую интересную: телескоп снабдили эталонным источником теплового шума, который охлаждался жидким гелием, так называемой холодной нагрузкой. Экспериментаторы регулярно отсоединяли радиометр от антенны и подключали к этому источнику, что уменьшало ошибки измерений. Модернизация телескопа во всех деталях описана в нобелевской лекции Вильсона, которая доступна в русском переводе [53] УФН. Т. 129, вып. 4 (декабрь 1979 г.). С. 595–613. .

В мае 1964 г. эти работы закончились, и Пензиас с Вильсоном вплотную приступили к наблюдениям, которые продолжались до поздней осени. К концу года они окончательно убедились, что калибровка телескопа по излучению галактического гало дала не просто неожиданный, а прямо-таки парадоксальный результат. На частоте 4,080 ГГц эффективная температура антенны оказалась на 3,5 K выше, чем предполагалось. Полная измеренная температура в зените составила 6,7 K, из которых 2,3 K экспериментаторы объяснили шумом от атмосферных источников. Уровень антенного шума, связанный с омическим сопротивлением системы, они оценили в 0,8 ± 0,4 K. Загадочный избыток в 3,5 K был измерен с возможной погрешностью всего в 1 K и, следовательно, вполне реален. Природу этого феномена они, конечно, не знали.