Полвека назад радиотелескоп в Холмделе, штат Нью-Джерси, отправил двух астрономов на 13,8 миллиардов лет назад во времени — и открыл космическое окно, через которое ученые заглядывают до сих пор.
 |
| Рупорная антенна Холмдела в округе Монмут, штат Нью-Джерси, со своим смотрителем Робертом Уилсоном, старшим научным сотрудником Центра астрофизики Гарвардского и Смитсоновского института в Кембридже, штат Массачусетс. (Фото: nytimes.com) |
На поле чуть ниже вершины Кроуфорд-Хилл, самой высокой точки округа Монмут, штат Нью-Джерси, почти в пределах видимости небоскребов Манхэттена, расположено скопление лачуг и сараев. Рядом с ними находится рупорная антенна Холмделя, радиотелескоп, чем-то напоминающий ковш гигантской паровой лопаты: алюминиевый ящик площадью 20 футов в устье и сужающийся к восьмидюймовому отверстию, через которое радиоволны направляются в « извозчик», деревянная хижина на сваях. Издалека все это место можно принять за старый шахтерский лагерь, который можно встретить в Монтане или Айдахо.
Когда-то он добывал небо. В мае 1964 года, слушая антенну, два молодых радиоастронома, Арно Пензиас и Роберт Уилсон, уловили жуткий и настойчивый гул с небес. Долгое время считали, что это вызвано скопившимся в роге голубиным пометом. Вместо этого, как они в конце концов узнали, они обнаружили начало пространства и времени. Они слушали последний вздох Большого взрыва, который породил Вселенную 13,8 миллиардов лет назад и который сейчас можно обнаружить только как слабое, вездесущее шипение микроволнового излучения.
До сих пор ученые спорили о том, было ли вообще у Вселенной начало; возможно, это было вне времени. Теперь этот вопрос был решен. Не менее важно и то, что это открытие перенесло начало времени в лабораторию, где его можно было сжимать, сжимать и расчленять. В этом микроволновом тумане закодированы следы событий, которые произошли, когда космос существовал менее одной триллионной секунды и был наполнен энергией, намного превосходящей возможности современных коллайдеров частиц.
Космический микроволновый фон открыл новое окно в природу реальности, в которое с тех пор пристально вглядываются астрономы. В 1978 году д-р Пензиас и д-р Уилсон были удостоены Нобелевской премии по физике за свое открытие, а в 1988 г. антенна была признана национальным историческим памятником, символом изобретательности, любознательности и настойчивости человечества, а также способности природы удивлять. и смири нас.
Доктор Уилсон, которому сейчас 87 лет, живет в Холмделе и до сих пор хранит ключи от телескопа. Когда он предложил приглашение приехать сюда этой весной, я ухватился за этот шанс. Антенна оказалась в центре спора о недвижимости: новый владелец участка хотел построить там жилой комплекс для престарелых и, возможно, вытеснить антенну. Соседи и различные группы граждан были в восторге. Когда мы с фотографом направлялись к дому доктора Уилсона, мы проходили мимо табличек на лужайке за табличками: «Спасите Кроуфорд Хилл», — гласили они. «Спасите рупорную антенну».
Проблема с голубями
Холмдел-Хорн был построен в 1959 году компанией Bell Laboratories для эксперимента под названием «Проект Эхо», цель которого заключалась в отправке сообщений из одного места на Земле в другое путем отражения микроволн от гигантских алюминизированных воздушных шаров. Когда проект был завершен, Белл передал антенну двум молодым астрономам: доктору Пензиасу, который покинул нацистскую Германию еще до Холокоста и получил докторскую степень. из Колумбии, и доктор Уилсон, радио-вундеркинд из Хьюстона со степенью доктора философии Калифорнийского технологического института.
Начало времен было последним, о чем они думали; они хотели измерить яркость галактик. Астрономы часто характеризуют яркость своих источников температурой, которую должно иметь теплое тело — так называемое черное тело — чтобы производить такое же количество излучения. Чтобы точно измерить интересующие галактики, доктору Пензиасу и доктору Уилсону сначала пришлось откалибровать антенну, изучая источники, яркость или температура которых были известны.
«20 мая 1964 года мы все собрали воедино», — сказал доктор Уилсон, когда я встретился с ним в Холмделе; он был долговязым и тихим, с дотошными манерами и внушительным куполом лба. Но, как он вспомнил, случился неприятный сюрприз — постоянное шипение, куда бы они ни направили телескоп. «Небо было слишком теплым», — сказал он. «Должно было быть холоднее».
Видео: Арно Пензиас (справа) вместе с доктором Уилсоном (на лестнице) проверяет внутреннюю часть рупорной антенны; беспорядок проводов в одной из антенных комнат; Доктор Уилсон у семиметровой антенны, несуществующего телескопа, который, вероятно, будет снесен.
Навязчивый шум соответствовал температуре около 3,5 Кельвина, что едва заметно превышало абсолютный ноль, которого они ожидали от пустого космоса. Оно присутствовало независимо от того, в какую сторону направляли антенну. Как бы они ни старались, им не удалось избавиться от лишнего тепла.
«И мы, конечно, волновались: «Что не так с этой системой?» — сказал доктор Уилсон.
В длинном списке потенциальных ошибок были два голубя, сидевшие на узком конце антенны, и «белый диэлектрический материал», как назвал его доктор Пензиас, который они оставили после себя. «И они украсили его так, как украшают различные статуи», — сказал доктор Уилсон.
Голубей отпустили. «Через пару дней они вернулись», — сказал доктор Уилсон. Было организовано более постоянное выселение. Но даже после чистки телескопа шум оставался, ускользая от всякого объяснения в течение почти года. «Мы были в тупике», — сказал доктор Уилсон.
«Ребята, нас схватили»
В нескольких милях отсюда Роберт Дик, физик из Принстона, и его студенты начали изучать условия, при которых Вселенная могла возникнуть, если она действительно имела начало. Они пришли к выводу, что любой такой Большой взрыв должен был быть достаточно горячим, чтобы поддерживать термоядерные реакции при температуре в миллионы градусов и синтезировать тяжелые элементы из первичного водорода.
Они поняли, что эта энергия все еще должна быть рядом. Но по мере расширения Вселенной первобытный огненный шар остыл бы до температуры в несколько кельвинов выше абсолютного нуля, что, как они подсчитали, поместило бы космическое излучение в микроволновую область электромагнитного спектра. (Группа не знала или забыла, что тот же расчет был сделан 20 годами ранее физиком Джорджем Гамовым и его сотрудниками из Университета Джорджа Вашингтона.)
Доктор Дик поручил двум аспирантам — Дэвиду Уилкинсону, одарённому инструменталисту, и Джеймсу Пиблзу, теоретику — попытаться обнаружить эти микроволны. Когда группа собиралась для принятия решения о плане действий, зазвонил телефон. Это был доктор Пензиас. Когда доктор Дике повесил трубку, он обратился к своей команде. «Ребята, нас только что схватили», — сказал он.
Обе команды встретились и написали пару статей, которые были опубликованы подряд в Astrophysical Journal. Группа Bell Labs описала радиошум, а группа из Принстона предположила, что это могло быть остаточное тепло от Большого взрыва — «вероятно, каждая сторона думает: что ж, то, что мы сделали, правильно, но другая может быть нет», — сказал доктор. - сказал Уилсон.
«Я думаю, что и Арно, и я хотели оставить открытой идею о том, что существовал какой-то другой источник этого шума», — добавил он. — Но, конечно, это не сработало.
В течение следующих десятилетий другие астрономы и физики присоединились и соревновались в стремлении измерить космический микроволновый фон на разных частотах и заполнить его электромагнитный спектр. Усилия переместились из Кроуфорд-Хилла на вершины гор, на Южный полюс, на воздушные шары и в космос, где инструменты могли изучать микроволны, не фильтруемые атмосферой Земли.
В 1990 году спутник Cosmic Background Explorer (COBE) сообщил, что температура микроволнового фона постоянно составляла 2,7 Кельвина — на 2,7 градуса Цельсия выше абсолютного нуля — во всех направлениях. Результат порадовал доктора Уилсона, поскольку он был близок к первоначальной оценке, сделанной им и доктором Пензиасом. COBE также обнаружил, что микроволновая Вселенная не была такой однородной, как казалось: она была испещрена пятнами на несколько сотых тысячных кельвина горячее или холоднее среднего. Астрономы теперь думают, что эти пятна являются зародышами галактик и скоплений галактик, которые сейчас усеивают небо.
Результаты COBE принесли еще две Нобелевские премии: Джону Мэзеру из Центра космических полетов Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, и Джорджу Смуту из Калифорнийского университета в Беркли.
Продолжающиеся исследования космических микроволн, наряду с обычной астрономией, укрепили представление о том, что иногда называют «нелепой вселенной», в которой атомная материя — вещество звезд и людей — составляет лишь 5 процентов по весу. Анализируя относительные размеры и частоты этих пятен и ряби, астрономы смогли описать рождение Вселенной с точностью, которая заставила бы плакать древних философов. Сейчас кажется, что Вселенной 13,8 миллиардов лет, и по массе она состоит на 4,9 процента из обычной материи, такой как атомы, на 27 процентов из темной материи и на 68 процентов из темной энергии.
Микроволны, обнаруженные доктором Пензиасом и доктором Уилсоном, датируются 380 000 лет после Большого взрыва, когда вся Вселенная была такой же горячей, как поверхность Солнца, и образовались первые атомы, испускающие свет. Это настолько далеко, насколько могут достичь оптические и радиотелескопы.
Но закономерности в этих микроволнах возникли менее чем за одну триллионную долю секунды после Большого взрыва. Космологи предполагают, что в этот крошечный момент Вселенная испытала краткий, сильный всплеск гиперрасширения, известный как инфляция. Такая мучительная вспышка оставила бы рябь — гравитационные волны — отпечатавшиеся на микроволновом фоне. В 2014 году астрономы, проводившие чувствительный эксперимент под названием Bicep2, заявили, что обнаружили эту рябь, но их обманула межзвездная пыль. Пока дымящийся пистолет инфляции не обнаружен.
Космическая капсула времени
Ученые продолжают попытки взломать эту космическую капсулу времени.
Сюзанна Стэггс, астрофизик из Принстона, отмечает, что, пройдя 14 миллиардов световых лет к нашим детекторам, космические микроволны прошли через всю космическую историю — через все галактики и скопления галактик, которые когда-либо существовали. По пути микроволны были бы деформированы и искажены гравитацией всех этих массивных объектов посредством процесса, называемого гравитационным линзированием.
Доктор Стэггс является главным исследователем международного сотрудничества под названием Атакамский космологический телескоп, который находится на высоте 17 000 футов в Чили и состоит из десятков телескопов и тысяч отдельных микроволновых датчиков. В течение последнего десятилетия исследовательская группа использовала этот эффект линзирования для составления карты распределения материи, включая темную материю, во Вселенной.
Недавно астрономы, использующие телескоп Южного полюса, еще один многонациональный проект, использовали аналогичный метод, чтобы «взвесить» целое скопление галактик, существовавшее около 12 миллиардов лет назад, на заре времен. А всемирное сотрудничество ученых и экспериментаторов, действующее под названием CMB-S4, готовится к самому глубокому погружению в космическое микроволновое море: семилетнему поиску в течение следующего десятилетия еще более слабых закономерностей внутри закономерностей. Если они будут найдены, они смогут свидетельствовать о силах, которые преобладали в начале времен.
Усилия будут включать обсерваторию Саймонса, которая сейчас строится рядом с Атакамским космологическим телескопом, а также другие эксперименты на Южном полюсе и в других местах. Его спонсорам, Министерству энергетики и Национальному научному фонду, это обойдется в полмиллиарда долларов. «Как и в случае с любым крупным проектом, ему предстоит пройти через множество ворот, прежде чем будет обеспечено финансирование строительства», — сказал Джон Карлстром, астрофизик из Чикагского университета и научный сотрудник проекта CMB-S4.
Лайман Пейдж, физик из Принстона, посвятивший свою карьеру исследованию космических микроволн, добавил: «Это просто великолепная физика».
Звуки творения
Доктор Уилсон ушел из Bell Labs в 1994 году и поступил на работу в Центр астрофизики Гарвардского и Смитсоновского института в качестве старшего научного сотрудника. Доктор Пензиас ушел с поста вице-президента и главного научного сотрудника компании Lucent Technologies, которая поглотила Bell Labs, в 1998 году, и сейчас живет в Калифорнии. По предложению коллеги доктор Уилсон подписался в качестве одного из 459 членов коллаборации CMB-S4, хотя конкретных планов исследований у него пока нет.
Тем временем доктор Уилсон боролся за спасение рупорной антенны. Он поддерживает теплые отношения с Ракешем Анталой, новым владельцем недвижимости, и благодарит его за то, что он предоставил доступ к антенне и защитил ее.
«Я бы хотел, чтобы он остался там, где он есть», — сказал он, имея в виду рог. «И я думаю, что идея превратить его в парк — хорошая». Он отметил, что антенна пострадала от вандализма, в том числе были разбиты окна. «Поэтому ему нужна определенная защита», — сказал он.
В июне комитет поселка Холмдела проголосовал за то, чтобы сделать первый шаг к использованию выдающегося владения и объявить по крайней мере часть 43 акров земли, включая антенну, парком, сославшись на «рост общественной поддержки сохранения собственности Кроуфорд-Хилл». » Доктор Уилсон сказал, что он одобряет, но это будет долгий процесс. «Я полагаю, что Ракеш сохранит наем адвокатов с обеих сторон», — сказал он.
Он отпер ворота антенны и повел их вверх по короткому лестничному пролету в хижину у заостренного конца рупора. Он указал на механизм наведения антенны — не шестерни, а что-то похожее на огромную велосипедную цепь. «Он был построен в спешке, чтобы подготовиться к запуску спутника «Эхо», — сказал доктор Уилсон. «Не было времени ковать зубья шестерен».
Видео: Шестеренки для поворота антенны; старая страница из телефонной книги Bell Labs; карта плана жилищной застройки Кроуфорд-Хилл; заброшенный сарай, который когда-то был частью комплекса рупорной антенны Холмдела.
Когда-то хижина была заполнена радиоаппаратурой, предназначенной для приема данных из хвостовой части гудка. Теперь там было пусто, и пол вызывал подозрения. Восьмидюймовое отверстие, ведущее в рог и в космос в целом, было закрыто деревянной пластиной, чтобы не допустить влета птиц. Разбитое окно выходило на лес.
Доктор Уилсон взял лист бумаги, почти разорванный пополам; на нем были имена и номера телефонов сотрудников Bell Labs примерно 1964 года, в том числе и он. Несколькими строками выше было имя и номер доктора Пензиаса. Доктор Уилсон спрятал его, чтобы забрать домой. Он взял еще один лист бумаги, висевший на стене, и нахмурился; у него были списки и столбцы чисел, относящиеся к напряжениям и температурам. «Я не знаю, что это такое», — сказал доктор Уилсон.
Над ним висел фен, который использовался для разогрева оборудования, охлажденного жидким гелием. Доктор Уилсон оставил его там, где он был.
«Прошлое никогда не умирает», — написал Уильям Фолкнер в романе «Реквием по монахине». «Это даже не прошлое». Звуки творения все еще звучат, если у вас есть уши, чтобы их услышать.
Исправление было внесено 5 сентября 2023 года: в более ранней версии этой статьи неверно указан журнал, в котором были опубликованы первоначальные статьи о космическом микроволновом фоне; это был «Астрофизический журнал», а не «Физическое обозрение». В статье также неверно указан год, когда Роберт Уилсон ушел из Bell Labs; это было в 1994, а не в 1984 году.
No comments:
Post a Comment