Наиболее значительным событием уходящего года в физике было присуждение Нобелевской премии американским ученым Джону Мазеру и Джорджу Смуту за открытие равновесной формы космического фонового микроволнового излучения (именуемое в русскоязычной литературе как космологическое реликтовое излучение) и его анизотропии, т.е. малых вариаций в различных направлениях. Проведенные лауреатами прецизионные измерения составили основу превращения космологии из философской доктрины в точную науку.

Джордж Смут. Родился в 1945 году, защитил диссертацию в Массачусетском технологическом институте в 1970 году, работает в Лоуренсовской национальной лаборатории, Беркли, профессор физики в Калифорнийском университете.	Джон Мазер. Родился в 1946 г., защитил диссертацию в Калифорнийском университете в 1974 году, работает в Отделении астрофизики Годдардского центра космических полетов НАСА

Реликтовое излучение было открыто в 1964 году Пензиасом и Вильсоном (Нобелевская премия 1978 года), которые наблюдали его как неустранимый шум в радиотелескопах. В принципе, подобный шум в виде блёсток все мы можем видеть на экранах своих телевизоров, когда отключается передатчик телевизионного сигнала. Теоретически реликтовое излучение было предсказано Гамовым, Альфером и Германом в 40-х годах, и его наблюдение явилось мощным аргументом в пользу гипотезы расширяющейся Вселенной.

 На ранних стадиях расширения Вселенной из первичной сингулярности (стадия наиболее загадочная и изобилующая моделями, в которых объединяются наши представления о Вселенной, гравитации и микромире) вещество и излучение находятся в равновесии. Предположение о равновесном характере излучения определяет его спектральный состав, т.е. количество квантов излучения с данной длиной волны, который зависит только от температуры среды. Этот закон (закон излучения «абсолютно чёрного» тела), открывший эру квантовой физики, был сформулирован М.Планком (Нобелевская премия 1918 года). На основе этого закона мы измеряем температуру светящихся тел по спектру их излучения, например, температуру вольфрамовой нити в лампе накаливания, температуру в доменной печи или на Солнце.

Основные стадии эволюции Вселенной. Отрыв электромагнитного излучения от материи происходит на второй стадии

 В соответствии с космологическим сценарием Большого взрыва с течением времени электромагнитное излучение «отрывается» от вещества и адиабатически остывает, пронизывая всю Вселенную и не изменяя характера своего спектра. Оно «помнит» начальные условия своего происхождения и поэтому называется реликтовым. Принципиальной особенностью этого излучения является его изотропность – оно равномерно заполняет всю Вселенную.

 Материя во Вселенной под действием гравитации собирается в сгустки, прототипы будущих звезд и галактик. В областях сгущения локально поднимается температура, что может искажать спектр фонового излучения.

К настоящему времени температура реликтового излучения такова, что оно сосредоточено в основном в микроволновом диапазоне. Этот спектральный диапазон широко используется в бытовых микроволновых печах. К сожалению, космическое излучение этого диапазона интенсивно поглощается земной атмосферой. Поэтому первые измерения реликтового излучения проводились на высокогорных станциях, на аэростатах, на баллистических ракетах. В результате была изучена только длинноволновая часть спектра реликтового излучения, позволившая оценить его температуру, составившую примерно 2,7 К. Проведение точных измерений требовало выхода за пределы атмосферы. К тому же на Земле невозможно изучать все направления, по которым приходит излучение из Вселенной, и делать заключения о его изотропности.

 В 1974 американское космическое агентство НАСА объявило о планах проведения внеатмосферных исследований на спутниках. Гигантская коллаборация более чем из тысячи ученых, инженеров и других специалистов включилась в работу над проектом изучения реликтового излучения. Спутник КОБЭ (COsmic Background Explorer), по сути спектрометр микроволнового излучения, должен был быть запущен с помощью шатла, но трагедия 1986 года, когда погиб «Челленджер», отодвинула эти планы. КОБЭ был запущен только в конце 1989 года.

Спутник КОБЭ, предназначенный для исследования реликтового космологического излучения

Угловое распределение реликтового излучения в галактических координатах. Сверху вниз показаны изотропная часть излучения, его дипольная и квадрупольная анизотропия. Фон от Млечного пути, не следующий спектру реликтового излучения, проявляется на нижнем рисунке как горизонтальная полоса

 Уже первые результаты измерений, полученные в январе 1990 года, показали, что спектр реликтового излучения великолепно соответствует спектру равновесного излучения «абсолютно чёрного» тела. По мнению специалистов этот спектр является практически идеальным, он лучше многих лабораторных спектров (естественно, «абсолютно чёрное» тело – идеализация, трудно достижимая в лаборатории). Поражает масштаб этого эксперимента и точность его результатов. К настоящему времени установлено, что температура реликтового излучения составляет 2.725 ± 0.002 K.

Распределение по длинам волн реликтового излучения, соответствующее спектру «абсолютно черного» тела. Форма спектра зависит только от температуры, Т° 2,7 К

 Эксперимент КОБЭ был направлен и на изучение анизотропии реликтового излучения, т.е. на обнаружение малых отклонений интенсивности излучения, а следовательно и температуры, в различных направлениях. Отклонения от средней температуры в разных частях Вселенной могут свидетельствовать о местах возникновения галактик и звезд, указывать области концентрации вещества во Вселенной. Особенно интересно изучение распределения «темной» материи, которая должна существенно менять температуру равновесного излучения. Термин «темная» здесь относится к той части материи или энергии, которую нельзя увидеть, но можно обнаружить по ее влиянию на физические процессы.

 Спектрометр КОБЭ измерял температурные флуктуации на уровне 10^-5 в трех частотных диапазонах, отвечающих максимуму интенсивности излучения, с угловым разрешением около 7 угловых градусов. Измерения продолжались 4 года. Результаты показали вклад нашей Галактики (Млечный путь) и относительного движения Земли в дипольную составляющую реликтового излучения на уровне ∆T/T = 10^-3, в полном соответствии с ранее проведенными расчетами. В квадрупольной составляющей реликтового излучения обнаружены флуктуации на уровне 13 ± 4 µK (∆T/T = 5х10^-6), которые соответствуют (или подтверждают) предсказаниям «инфляционных» космологических моделей. В частности, обнаружена масштабная инвариантность при больших углах.

 Большинство космогонических моделей, описывающих образование плотных объектов во Вселенной, предсказывают гауссовский характер распределения температурных флуктуаций при больших углах, что и было обнаружено в эксперименте КОБЭ. Это распределение возникает из первоначальных квантовых флуктуаций на сингулярной стадии. Так чудесным образом смыкается физика «самого большого» и «самого малого».

 Открытие в 1964 году реликтового излучения имело решающее значение для космологии. Наше понимание эволюции Вселенной основано на нескольких фактах, таких как темнота ночного неба (парадокс Ольбертса), превышение распространенности водорода и гелия по сравнению с более тяжелыми элементами, хаббловское разбегание галактик и существование реликтового излучения. Результаты экспериментов КОБЭ дали строгое обоснование космологической модели Большого взрыва. По оценке С.Хоукинга, высказанной в 1992 году, они являются «величайшим открытием века, если не всех времен».

 При написании этой статьи были использованы материалы официального сайта Нобелевского комитета http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/.

 И.А.Митропольский