Брайан Китинг - Гонка за Нобелем. История о космологии, амбициях и высшей научной награде

Вскоре после того, как мы получили финансирование, Ланге отправил меня в «рекламный тур», чтобы привлечь внимание к проекту BICEP. Он даже заставил меня поехать в Кону на Гавайи, где проходила астрономическая конференция. Это путешествие вылилось в мою первую научную статью, где впервые с момента открытия Йеркской обсерватории больше века назад описывалась новая конструкция рефрактора {2} .

Чтобы построить телескоп BICEP, нам потребовалось пять лет и 2 млн долларов. Вы тоже можете провести эксперимент с поляриметром — для этого на закате наденьте поляризационные солнцезащитные очки и поворачивайтесь вокруг себя, стоя на месте и глядя на зенит. Поскольку при рассеянии на молекулах воздуха свет поляризуется, вы заметите, что за один полный оборот яркость неба дважды меняется со светлой на темную и наоборот (рис. 42). Такое двукратное изменение яркости является характерным признаком поляризации.

Как и обычные солнцезащитные очки, все поляриметры включают четыре элемента: оптическую систему (у вас это хрусталик глаза), поляризационный фильтр, разделяющий вертикально и горизонтально поляризованный свет (ваши очки), детектор (сетчатка глаза) и поляризационный модулятор (ваши ноги, позволяющие вам вращаться), благодаря ему интенсивность света, проходящего через каждый поляризационный фильтр, меняется предсказуемо.

Все эти четыре компонента были и в BICEP. Его оптическая система состояла из 30-сантиметровых линз, изготовленных из полиэтилена высокой плотности (из подобного материала делают пластиковые бутыли для молока). Хотя нам эти контейнеры кажутся непрозрачными, они почти идеально пропускают микроволны. Две линзы обеспечивали четкую видимость в поле зрения порядка 20°, что эквивалентно двум кулакам, если держать их на расстоянии вытянутой руки.

Поляризационные фильтры и детекторы были объединены в так называемые поляризационно-чувствительные болометры (рис. 43). BICEP не требовались отдельные поляризационные очки и сетчатка, поскольку сами его детекторы предназначались для улавливания поляризации света. Каждый пиксель BICEP содержал два болометра: один для горизонтальной поляризации, другой — для вертикальной.

На самом деле наша сетчатка глаза состоит не из одного «детектора». Она насчитывает около 6 млн колбочковидных зрительных клеток, улавливающих частоту света и способных различать миллионы цветов, и 100 млн палочковидных зрительных клеток, позволяющих нам видеть самые слабые источники света, даже один фотон {3} . Как и человеческая сетчатка с ее миллионами колбочек и палочек, «сетчатка» BICEP имела большое количество детекторов. Конечно, по сравнению с человеческим глазом или даже камерой смартфона количество детекторов BICEP — 98 штук— казалось жалким. Но они были способны уловить, если нам повезет, следы первичных гравитационных волн в самом древнем свете во Вселенной. Такого не мог сделать ни один самый продвинутый смартфон.

Чтобы уловить фотоны реликтового фона, детекторы требовалось охладить до температуры на 0,25 °C выше абсолютного нуля. И здесь лилипутские размеры BICEP давали ему огромное преимущество. Благодаря небольшому размеру — меньше 1,5 м в длину — весь телескоп можно было поместить внутрь большого криостата. Этот криостат представлял собой цилиндрический сосуд, внутри которого были размещены все оптические элементы и детекторы BICEP и поддерживалось давление в миллион раз ниже, чем на уровне моря (рис. 44).

Поддержание вакуума внутри криостатной трубы телескопа имело решающее значение; если бы внутри осталось слишком много молекул воздуха, они бы забирали тепло со стенок и переносили его на детекторы, делая их бесполезными. Внутри трубы находились две камеры с жидким гелием и специальное охлаждающее устройство, в котором использовалась жидкая форма изотопа гелия — жидкий гелий-3. Обычный жидкий гелий позволял охладить BICEP до 3 кельвинов, а гелий-3 помогал достичь температуры в 0,25 кельвина. Впервые в человеческой истории мы охладили весь телескоп до температуры межзвездной среды. Галилей, который кое-что знал о термометрии, несомненно, это бы оценил.

Наконец, четвертым ключевым компонентом всех поляриметров является поляризационный модулятор. В BICEP эту функцию выполняла станина весом больше 4500 кг, которая позволяла управлять сложными вращениями телескопа с фантастической точностью. Больше года мы собирали и разбирали эту конструкцию и подвергали всевозможным тестам, чтобы убедиться в ее безупречной работе (рис. 45). Нам нужно было отладить все системы BICEP в Пасадене — здесь это сделать было гораздо проще, чем в том удаленном от цивилизации месте, где телескопу предстояло выполнять свою работу.