«Техника-молодежи» 1985 №9, с.8-12

В ЕЕ ПЕРВОЕ МИЛЛИОНОЛЕТИЕ впервые в мире построен советскими учеными. Более года на борту высокоапогейного спутника «Прогноз-9» работал самый компактный в мире радиотелескоп, который принимал микроволновое фоновое излучение, пришедшее к нам из далекого прошлого.

Полночь 2 июля 1983 года, Байконур.

— «Прогноз» на проводе, — объявляет дежурный оператор.

Вращаются магнитные диски, бегают каретки самописцев. Начинается первый сеанс связи. Но что это?.. Самописцы — все как один — бесстрастно вычерчивают незамысловатые, как трамвайные пути, «шумовые» дорожки.

Оператор вопросительно смотрит на разработчиков радиотелескопа — сотрудников из Института космических исследований АН СССР.

— Все в порядке, аппаратура в норме, — уверенно отвечает заведующий одной из лабораторий, кандидат физико-математических наук Игорь Струков. Хотя любой инженер, увидев, сколь глубоко «утонул» в шумах полезный сигнал, может в этом усомниться. Но Струков-то, как никто другой, знал: для того чтобы из этого океана шума вытек слабый ручеек полезной информации, их орбитальный радиотелескоп должен набрать огромную статистику, провести множество — миллиарды! — измерений.

Так два года назад начался этот уникальный эксперимент, с первыми результатами которого мы знакомим наших читателей.

На приводимом здесь снимке — полученное после машинной обработки радиоизображение Вселенной.

— Это самый грандиозный объект, съемку которого когда-либо предпринимало человечество. И самый древний, ибо никому еще из «археологов космоса», ищущих ответы на вечный вопрос: «Как возник мир?», не удавалось заглянуть в столь отдаленные глубины нашей догалактической истории.

Чем же интересна сегодня эта картина Вселенной 15—20-миллиардолетней давности?

В ту пору еще не было ни звезд, ни скоплений, ни галактик, — ни одно светило не появилось на свет. Но свет — он уже был! Пронизывая пространство во всех направлениях, неслись фотоны — свидетели недавно происшедшего Большого взрыва...

Эти древние реликтовые фотоны, порядком подрастерявшие свою энергию, мы с помощью сверхчувствительных приборов можем наблюдать и сейчас, разумеется, уже не в оптическом, а в микроволновом диапазоне, Именно в том, каким образом распределена в пространстве энергия «остывших» чуть ли не до абсолютного нуля электромагнитных квантов, содержится бесценная информация об огненном «первичном» шаре — этом своего рода «сверхгене» Вселенной, из которого спустя миллиардолетия родились галактики, звезды, мы...

20 лет назад американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вилсон, по существу случайно, совершили крупное научное открытие. Прослушивая небо с помощью рупорной антенны, они изучали слабые радиосигналы, излучаемые спутниками «Эхо». Антенна представляла собой укрепленную на крыше сарая 7-метровую «слуховую трубку». Пытаясь определить порог ее чувствительности, ученые ориентировали рупор антенны так, чтобы в него не попадало излучение Млечного Пути. Прием космического радиоизлучения шел на волне 7 см, поскольку в этом диапазоне земная атмосфера имеет «радиоокно прозрачности» и на фоне молчащего радиокосмоса должны были бы сразу проявиться собственные шумы аппаратуры. Расчеты, однако, не оправдались. Галактика отчетливо «фонила». Заинтересовавшись этим и предположив, что чувствительный прибор все-таки реагировал на тепловые излучения земной атмосферы, астрономы стали понемногу менять положение радиоантенны, рассудив, что у линии горизонта атмосфера толще и, следовательно, уровень шумов должен возрасти, а в зените, напротив, упасть.

Однако шум был всюду одинаков. Поскольку эксперимент затянулся на многие месяцы, антенна, перемещаясь вместе с Землей в пространстве, уже была ориентирована на новые области Галактики, но... по-прежнему регистрировала необъяснимо высокий уровень шума.

В поисках «шумящего» фактора Пензиас и Вилсон винтик за винтиком перебрали узлы и детали своей конструкции. При этом им даже пришлось выселить из рупора пару голубей, а также тщательно очистить конструкцию от птичьего помета, который Пензиас позже, в своей нобелевской речи, назовет деликатно «диэлектрическим белым налетом». Все старания были тщетны! Едва опыты возобновились, как выскобленный и вылизанный коротковолновый приемник излучения вновь стал выдавать сигнал, свидетельствующий о приеме радиопомех с энергией, эквивалентной 7 К, приходящей, казалось, изо всех точек пространства. В конце концов, отнеся еще 3—4 К на внутренние, как говорят радиофизики, шумы охлажденных жидким гелием усилителей, экспериментаторы получили «остаток», «списать» который можно было разве что на Вселенную, наполненную этим однородным, доселе неизвестным микроволновым излучением с температурой около 3 К. В 1978 году за обнаружение микроволнового (реликтового) излучения им была присуждена Нобелевская премия. Оказалось, впрочем, что теоретиками эти результаты были давно предсказаны.

СВЕТ И ТЬМА «ГОРЯЧЕЙ» ВСЕЛЕННОЙ

«Всегда очень трудно сознавать, что те числа и уравнения, которыми мы забавляемся за нашими столами, имеют какое-то отношение к реальному миру», — сказал однажды лауреат Нобелевской премии физик С. Вайнберг. Может, это был прозрачный намек физикам-экспериментаторам на их излишнюю недоверчивость — или невнимательность? — к выводам, получаемым «на кончике пера»? Скорее всего так, ведь из решений уравнений тяготения А. Эйнштейна, полученных советским физиком А. Фридманом в начале 20-х годов, следовало, что в зависимости от средней плотности вещества Вселенная может расширяться либо бесконечно, либо до определенного предела, за которым последует сжатие.

Фридмановская модель нестационарной Вселенной вскоре была подтверждена открытием американского астронома Э. Хаббла. Он обнаружил, что в спектрах галактик наблюдается так называемое красное смещение, причем тем большее, чем дальше они находятся от Земли. А согласно эффекту Доплера, длина световой волны увеличивается тогда, когда излучающий объект, в данном случае — Галактика, удаляется от нас.

Своеобразной точкой отсчета современного этапа эволюции Вселенной считается Большой взрыв. К подобному выводу пришел американский физик Георгий Гамов, опубликовавший в 40-х годах три небольшие заметки в «Физикал Ревю», в которых изложил гипотезу, ныне широко известную под названием «горячей» Вселенной.

В самом деле. По скорости разлетающихся небесных объектов можно судить о силе первоначального толчка. А по остывающему при расширении веществу, его излучению и другим характеристикам — о давности Большого взрыва.

Ученые установили, что событие, сыгравшее решающую роль в дальнейшем «обустройстве» нашей Вселенной, произошло примерно 20 млрд. лет назад (по другим оценкам — 15).

Их осведомленность в этом вопросе поражает воображение.

Так, утверждается, что в момент времени, близкий к начальному, вся материя Вселенной, имея температуру в 10³¹ К и плотность 10⁹³ г/см³, занимала скромный, размером с протон, объем. Далее первичный огненный шар начал расширяться: сначала быстро, потом гораздо медленнее. Дальнейшая эволюция едва ли не посекундно описана современной наукой. Описывается все, кроме, пожалуй, наиболее интересного начального этапа, когда вещество Вселенной было собрано в точку, именуемую «сингулярностью». Неизвестно, что представляла собой эта точка, ибо основные законы природы, которыми мы пользуемся, в том числе и важнейшие пространственно-временные соотношения, никак не могут быть справедливы при тех экстремальных условиях, что присущи сингулярности. В этой — особой точке теряют смысл даже такие фундаментальные понятия, как «раньше» и «позже», «причина» и «следствие»...

Теперь от волнующей, но непознанной сингулярности мысленно перенесемся к одному из важнейших этапов расширения Вселенной — радиационному. В это время первичный огненный шар был все еще непрозрачен для электромагнитного излучения — с ним частицы находились в тепловом равновесии. Давление фотонного газа в мгновение ока разрушало любой образовавшийся сгусток вещества. В свою очередь, свободные электроны с их свойством рассеивать излучение «удерживали» фотоны внутри огненного шара. Лишь через миллион лет после Большого взрыва, когда температура этого шара упала ниже 4000 К, на свет явились первые атомы водорода.

Именно на свет, ибо связанные (то есть занявшие ядерные орбиты) электроны уже не могли столь интенсивно, как прежде, рассеивать излучение. Поэтому фотоны благодаря веществу как бы высвобождаются! Итак, свет появляется на свет лишь в первое миллионолетие Вселенной. Как тут не вспомнить каверзный вопрос Смердякова: «Свет создал господь бог в первый день, а солнце, луну и звезды — на четвертый день. Откуда же свет-то сиял в первый день?», за который этот сугубо отрицательный персонаж «Братьев Карамазовых» был, как известно, бит.

Новейшие открытия астрофизики вскрывают неожиданный подтекст, содержащийся в «подковыке» ерничающего героя Достоевского!

Вернемся, впрочем, к тому времени, когда свет впервые «появился на свет». Продолжая остывать, вещество под действием сил гравитации понемногу стало собираться в сгустки и скопления, образуя зародыши будущих галактик. А излучение? В момент отрыва от вещества оно как бы «запечатлело» начальные неоднородности в структуре развивающейся Вселенной. Ибо там, где плотность вещества хотя бы ненамного превышала среднюю, температура излучения также была несколько выше. Зажив независимой жизнью, это фоновое излучение продолжает как бы нести в себе, а точнее — в распределении своей интенсивности, образ юной миллионолетней Вселенной. В нем навечно отображены те изначальные флуктуации «первичного» огненного шара, рост которых в дальнейшем привел к формированию современного мира. Измеряя распределение этого излучения на небесной сфере, «археологи космоса» получают редчайшую возможность заглянуть в далекое прошлое Вселенной. Кроме того, по анизотропной радиояркостной картине можно определить: как происходило развитие первичного огненного шара? Всегда ли Вселенная расширялась с одинаковым темпом? Наконец, как Земля и Солнечная система движутся относительно реликтового фона? Не буду перечислять всех, подчас весьма изощренных экспериментов, к которым прибегали исследователи многих стран, пытаясь измерить анизотропию реликтового излучения, предсказанную в работах Я. Зельдовича, Р. Сюняева, А. Дорошкевича, И. Новикова и других. Главной условие всех опытов — поистине космическая точность, чувствительность измерений. Об уровне требований, предъявляемых к приборам, красноречиво говорит такое сравнение: чтобы знать метеорологическую обстановку в каком-либо районе Земли, специалистам приходится определять температуру земной суши и поверхности океана с точностью до градуса; врачам, диагностирующим состояние здоровья пациента, необходимо измерять температуру его тела с точностью до 0,1 градуса. Но чтобы решить задачу, связанную с «самочувствием» Вселенной, — радиоастрономы должны знать ее «температуру» с точностью десяти-, а лучше стотысячной градуса. Для сравнения: если ложку кипятка размешать в средних размерах бассейне холодной воды, то температура как раз и «подскочит» на стотысячную долю градуса!

Спутник «Прогноз-9», доставивший на орбиту самый маленький в мире радиотелескоп «Реликт» (нижний рисунок). Масса инструмента 30 кг, потребляемая мощность — 50 Вт.

Схема обзора небесной сферы в эксперименте «Реликт». Рупорная, так называемая опорная антенна радиотелескопа постоянно направлена в антисолнечную точку, а измерительная, рупорно-параболическая антенна благодаря вращению спутника вокруг оси прочерчивает на небесной сфере кольцо. Первичное кольцо обзора показано пунктиром, кольцо обзора после переориентации спутника обозначено сплошной линией.

А ведь экспериментаторы должны суметь разглядеть эту самую «ложку» кипятка на фоне Ниагар горячей воды, низвергаемых с небес Солнцем, атмосферой, летящим в небе самолетом и т. д. и т. п.

Пытаясь уйти от помех, американские и итальянские радиоастрономы стали проводить наблюдения с борта самолетов, из аэростатных гондол, поднятых на высоту до 20 км. Однако и в этом случае точность и эффективность опытов были очень низки, а трудоемкость и сложность их очень велики. Так, за 15 лет исследований реликтового излучения, проводимых с самолетов и аэростатов, американские радиоастрономы работали в режиме «измерения» лишь 240 часов, то есть на год подготовки приходилось две трети суток «чистого» наблюдательного времени.

Известный советский астроном Н. С. Кардашев еще в конце 60-х годов высказал идею об изучении реликтового излучения с помощью радиотелескопов, поднятых на борт искусственных спутников Земли. Преимущества этого способа исследования были очевидны: выбором соответствующей, с очень высоким апогеем, орбиты можно избавиться от тепловых помех Земли. Кроме того, за год работы радиотелескопа в космосе можно получить такой же объем информации, как и при наземных экспериментах длительностью почти в полвека!

Но вот вопрос, который до сих пор в мире никем не решался: достаточно ли устойчивой окажется эта невероятно вытянутая, высокоапогейная орбита, находясь на которой ИСЗ выйдет из-под теплового влияния земной атмосферы?

Здесь существуют две опасности. На орбите, апогей которой достигает миллиона километров, действующие на спутник силы притяжения со стороны Земли, Солнца и Луны соизмеримы.

Поскольку данный тип ИСЗ, его назвали «Прогнозом», корректирующими двигателями не оснащается, появляется реальный шанс, что он будет захвачен этими небесными телами.

Чтобы обеспечить защиту против солнечного «угона», баллистики снизили апогей орбиты до 700 тыс. км. А мерой, препятствующей лунному «угону», стал такой выбор орбиты ИСЗ, чтобы период его обращения равнялся периоду обращения Луны вокруг Земли. Все было рассчитано так, чтобы при прохождении «Прогнозом» наиболее опасных участков траектории, где притяжение Земли заметно ослабевает, он находился в самой удаленной — по отношению к Луне — точке орбиты.

Разумеется, всякая орбита со временем «разбухает». Кроме того, несинхронность вращения двух взаимодействующих тел, в данном случае ИСЗ и Луны, ведет к их сближению, а в конце концов к их столкновению. Однако советскими баллистиками П. Эльясбергом, Н. Эйсмонтом и А. Шейхедом впервые была доказана возможность существования такой орбиты в течение года.

Итак, идея была ясна в подробностях, спутники на такие орбиты можно было запустить, установка радиотелескопа на них технической сложности не представляла... Дело было лишь за специальным параметрическим усилителем, работающим в паре с бортовым радиотелескопом. И такой прибор, способный регистрировать тепловой контраст двух участков небесной сферы в десятитысячную градуса, был в короткое время создан В. Корогодом, А. Косовым, Д. Скулачевым под руководством И. Струкова.

Что можно сказать о приборе, чувствительность которого позволяет фиксировать разность мощностей излучения в 10^-27 Вт? По словам итальянского космолога Ф. Малькиори, исследуемые сигналы имеют ту же величину, что и естественное тепловое излучение мыши, находящейся в 50 км от детектора.

Чтобы точнее оценить, сколь исчезающе мала эта величина, сравним ее с сигналом минимальной мощности, которую может принять идеальный, то есть абсолютно нешумящий, усилитель.

На первый взгляд может показаться, что идеальная измерительная установка, в которой «устранены» все источники внутренних шумов, способна принимать любой, сколь угодно малый сигнал. Однако это не так: парадоксальным оказывается само предположение о создании нешумящего усилителя.

В самом деле, минимальная порция энергии, на которую реагирует приемная система, не может быть меньше энергии одного фотона. Допустим, приемное устройство регистрирует не более фотона в секунду, тогда для рабочей частоты в 37 ГГц это соответствует его мощности примерно в 3·10^-23 Вт. Выходит, идеальный усилитель должен работать с излучением в 10 тыс. раз более слабым, чем его пороговая мощность? Как сказал один из физиков, это все равно, что через обратную сторону бинокля рассматривать окружающую местность или пытаться взлететь на аэробусе, оснастив его движком от «кукурузника». Заметим, кстати, что мы рассмотрели случай с прибором идеальной чувствительности. Настоящий же, созданный для эксперимента «Реликт» параметрический усилитель имел, само собой разумеется, на несколько порядков больший «шумовой» уровень.

И все-таки карта распределения интенсивности реликтового излучения на небесной сфере была построена.

«АРХЕОЛОГИ КОСМОСА»

Как же все-таки удалось выделить слабый сигнал, безнадежно утонувший в шумах аппаратуры? Конструкторы уникальных приборов прибегли к весьма остроумному способу, который не раз выручал археологов, имеющих дело со старыми документами, со стертыми или утраченными надписями и т. п. Документ несколько раз фотографируют в различных спектральных диапазонах. Затем полученные изображения складывают друг с другом. Случайные помехи пропадают, а вот характерные детали, пусть даже и невидимые на каждом отдельном снимке, складываясь, усиливают друг друга. По такому же принципу действовало и приемное устройство, разработанное физиками специально для эксперимента «Реликт»: хаотичные шумы удается снизить благодаря многократному повторению наблюдений за одним и тем же участком небосвода. При этом они уменьшаются пропорционально корню квадратному из числа измерений.

По условиям эксперимента, уровень помех нужно снизить ни много ни мало в 1 млн. раз. Число измерений, совершаемое каждую секунду, пропорционально, как известно, полосе принимаемых частот. Приемное устройство бортового радиотелескопа благодаря полосе шириной в 400 МГц позволяло в течение года провести измерение каждого из 1500 элементов небесной сферы 4300 млрд. раз. Погоня за количеством имела оборотной стороной резкое улучшение качества: уровень аппаратурных шумов удалось уменьшить даже в 2 млн. раз.

Некоторое представление о том, какие чисто технические трудности пришлось преодолевать молодым ученым при создании уникального прибора, дает следующий пример, иллюстрирующий сложность конструкции одного из далеко не самых сложных устройств.

Представьте себе лунку, сделанную в полупроводниковом кристалле, диаметром 3 мкм и позолоченную пружинку — толщиной с человеческий волос и длиной всего 0,5 мм. Пружинка, изогнутая по сложному профилю и заостренная с одного конца, попадет в лунку так, чтобы обеспечить надежный электрический контакт. 40 млрд. раз в секунду через нее проскакивает электрический импульс с фантастической плотностью тока в 10⁹ А/м². Это в несколько раз выше, чем в канале ствола молнии!

Характерная деталь: этот микроскопический контакт обязан работать даже в экстремальных условиях без малейшего сбоя в течение нескольких лет, причем заточенное жало пружинки не должно и на микрон сдвинуться в сторону ни при старте космического корабля-носителя, ни при выводе спутника «Прогноз» на орбиту...

Итак, эксперимент завершен. И хотя обработка результатов будет продолжаться еще значительное время, я попросил одного из конструкторов радиотелескопа, Игоря Струкова, рассказать о предварительных итогах.

— Выполненные наблюдения и построенный на их основе «радиопортрет» миллионолетней Вселенной позволяют уточнить характер перемещения нашей Галактики в пространстве. Со скоростью около 515 км/с она движется в направлении ближайшего скопления галактик, к созвездию Девы. Угол между вектором скорости и направлением на скопление приблизительно 50°.

Одним из самых интересных и неожиданных результатов явилось то, что интенсивность излучения Млечного Пути на волне 8 мм оказалась значительно выше, чем по ранее сделанным оценкам. Это, по-видимому, связано с существованием гигантских областей ионизированного водорода, расположенных в спиральных областях нашей Галактики. Такие области, заполненные плазмой, получили название НН-областей. Масса наиболее крупных превосходит Солнце в миллион раз, температура достигает 10 тыс. К.

Подмечена любопытная закономерность. Чем меньше НН-область, тем выше в ней плотность водорода. Объяснение этому факту пока не найдено. Ряд областей удалось отождествить с объектами, наблюдаемыми с помощью оптических телескопов, другие — видны только в радиодиапазоне. Установить причины их возникновения и найти разгадку столь необычной зависимости плотности плазмы от размеров области — задачи дальнейших исследований.

Достижением эксперимента «Реликт» является и безукоризненная работа уникального радиотелескопа, превосходящего по своим характеристикам все зарубежные аналоги. Есть все основания полагать, что уже в ближайшее время величина минимального обнаруживаемого им сигнала будет снижена еще в 3 раза. И тогда космические эксперименты предоставят в наше распоряжение информацию о новых структурных особенностях Вселенной, зашифрованных в неоднородностях реликтового излучения, о распространении на небесной сфере скоплений и сверхскоплений галактик, а может быть, и о новых космических радиоисточниках.