Нобелевскую премию по физике американцы должны были бы разделить с российскими учеными
2006-10-11 / Владимир Покровский
Считается, что миллиарды лет назад (об их количестве сейчас спорят) никакой Вселенной не было. Ученые увидели свет самых первых звезд. Он оказался очень холодным.
Джон Матер, возглавлявший исследования на спутнике COBE, сразу же получил спектр реликтового излучения, строго совпадающий со спектром черного тела, и измерил температуру - 2,7 градуса Кельвина. Джордж Смут искал неоднородность в температуре и нашел ее, хотя разница была в тысячных долях процента. Именно эта разница позволила каше из протонов и электронов скапливаться вместе, создавать звезды, галактики и в конечном счете - способствовать появлению жизни.
Ученые увидели свет самых первых звезд. "То, что мы нашли, является свидетельством рождения Вселенной, - сказал однажды Джордж Смут. - Это все равно, что смотреть на Бога".
Однако специалисты из Института космических исследований РАН испытали при известии о физической премии не только радость за своих коллег, но и недоумение.
"Работа, за которую дали эту премию, вне всяких сомнений, великолепна и достойна такой награды, - заявил в беседе с корреспондентом "НГ" заведующий лабораторией ИКИ Дмитрий Скулачев. - Недаром, когда Матер и Смут сделали сообщение о своих результатах, зал аплодировал им стоя. Но "если бы я был директором", я бы все-таки присудил эту премию троим - Матеру за определение спектра, Смуту за определение спектра анизотропии, а Игорю Струкову - за открытие этой анизотропии, потому что он все-таки был первым".
По словам Скулачева, еще за шесть лет до того, как СОВЕ был запущен, у нас с похожей задачей был запущен спутник "Реликт". Тогда Николай Кардашев, впоследствии ставший академиком, проделал точно такую же работу, что и Матер, - он был научным руководителем, он "пробил" этот эксперимент, "пробил" спутник, разработал методику и так далее. А доктор физико-математических наук Игорь Струков, заведующий отделом ИКИ РАН, осуществил все это на практике - сделал аппаратуру, получил результаты, обработал их и опубликовал.
"Наши публикации появились в России и на Западе в 1992 году, на несколько месяцев раньше публикаций о результатах СОВЕ, - говорит Скулачев, который был участником группы "Реликт". - Наш приоритет здесь неоспорим, американские астрофизики всего лишь надежно подтвердили правильность наших результатов. Я не собираюсь валить все шишки на Нобелевский комитет, только они могут решать, кому давать премию. Просто мы снова проиграли пиар-войну. Я даже не уверен, что в своих Нобелевских лекциях Матер и Смут упомянут о "Реликте".
Революция в космологии продолжается. Открываются новые явления, существенно меняющие наши представления о мироздании. Во Вселенной обнаружены чудовищно большие по размеру образования: пустоты, "стенки", "блины". Отмечены крупномасштабные движения - сверхскопления галактик притягиваются центром (великим аттрактором). Объяснить динамику этих перемещений скоплений и сверхскоплений традиционной причиной - гравитационным притяжением видимого обычного вещества - оказалось невозможно: слишком мало вещества содержится в столь гигантских объединениях небесных тел, межзвездных пыли и газе. Поэтому невольно приходит мысль о наличии в таких областях какой-то неведомой материи.
Что может быть ее носителем? Остатки сверхновых звезд или черных дыр? А что если это быстродвижущиеся частицы - нейтрино или какое-то неизвестное нам холодное, а потому невидимое вещество? А ведь ответ на этот вопрос определяет путь, по которому развивалась и продолжает развиваться Вселенная...
Если это нейтрино с отличной от нуля массой покоя, то, очевидно, сначала образовывались крупные скопления галактик, распадавшиеся затем на составные части. Холодное темное вещество, напротив, обусловливало эволюцию, начинающуюся с рождения малых объектов, впоследствии объединившихся в крупные образования. Но как было на самом деле? Как заглянуть в столь далекое прошлое?
Образ совсем юной Вселенной впервые забрезжил перед учеными после обнаружения в 1965 г. американцами А.А. Пензиасом и Р.В. Вилсоном приходящего из космоса слабого радиоизлучения. Его интенсивность всегда оставалась одной и той же независимо от направления принимающей антенны. Это открытие подтвердило справедливость модели "горячей" Вселенной американского физика-теоретика Г.А. Гамова (1904-1968), который опирался на замеченное в 1929 г. Э.П. Хабблом (1889-1953) и продолжающееся в настоящее время разбегание галактик. Так рождалась современная экспериментальная космология.
Факт расширения Вселенной, а также наблюдаемое соотношение в ней водорода и гелия, совпадающее с предсказываемым теорией для первых мгновений жизни нашего мира, привели Г.А. Гамова к фундаментальному выводу: все началось с "большого взрыва" объекта с нулевыми размерами и бесконечно высокой температурой.
Образовавшиеся при этом излучение и вещество расширялись и охлаждались, находясь в равновесном состоянии, имея одинаковую температуру и взаимно превращаясь одно в другое. Через секунду после взрыва температура упала до 10 000?С. В то время Вселенная в основном состояла из фотонов, электронов, нейтрино, их античастиц и небольшого количества протонов и нейтронов.
По мере понижения температуры почти все существовавшие к тому времени пары электронов и антиэлектронов взаимно уничтожились, или, иначе говоря, аннигилировали, образовав фотоны и оставив очень небольшое количество избыточных электронов. По-иному могла сложиться судьба нейтрино и антинейтрино. Эти частицы слабо взаимодействуют и способны дожить до наших дней, заметно влияя на развитие Вселенной.
ДАЛЕЕ - ПРОДОЛЖЕНИЕ СТАТЬИ С ЦВЕТНЫМ ФОТО ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА РАДИОМЕТРА "РЕЛИКТ - 2". (Здесь картинки и фото не получились).
?6, 2009 год Кандидат физико-математических наук Дмитрий СКУЛАЧЁВ, Институт космических исследований РАН.
Спутник 'Прогноз' в монтажном цеху. Фото: www.iki.rssi.ru.
Рис. 1. 'Наилучшие пожелания Реликтам!'
Рис. 2. Страница из рабочей тетради Андрея Брюханова. Красным обведена историческая запись: 'Сигнал обнаружен!'. Слева подчёркнута дата: 3 марта 1991 года.
Рис. 3. Сигнал, который измерил 'Реликт-1'. По вертикальной оси отложена яркостная температура, по горизонтальным осям - координаты на небесной сфере.
Рис. 4. Результаты измерений спутника СОВЕ. Дипольная компонента удалена. Малые 'холмы и впадины' - сумма сигнала и шума. Сигнал по величине едва превышает шум.
Рис. 5. Характеристики космических экспериментов 'Реликт-1', СОВЕ и WMAP. Чем ниже столбик, тем чувствительнее эксперимент; чем диаметр меньше, тем лучше угловое разрешение.
Рис. 6. Результаты измерений спутника WMAP, сглаженные и пересчитанные на рабочую частоту 'Реликта-1'. Дипольная компонента удалена. Уровень шума здесь пренебрежимо мал в любой точке.
Рис. 7. Часть радиокарты WMAP в эклиптических координатах. Синий цвет отмечает минимумы яркостной температуры.
Рис. 8. Взаимная корреляция данных 'Реликта-1' и WMAP (красная линия) и сигнал WMAP (синяя линия). Корреляция - положительная для всех, без исключения, сканов.
Был когда-то советский фильм о первых комсомольцах с таким названием. Артисты там играли замечательные - молодые Юматов, Ульянов, Державин. 'За фабричной заставой, где закаты в дыму...'.
Во всяком деле есть первые. В 1941 году канадский астроном Эндрю Мак-Келлар занимался анализом звёздных спектров. И пришёл к выводу, что наблюдаемые спектральные линии можно объяснить существованием неизвестного источника излучения с температурой примерно два с половиной градуса Кельвина.
В середине пятидесятых годов молодой аспирант Пулковской обсерватории Тигран Шмаонов обнаружил космический фон, температура которого составляла несколько градусов и не зависела от направления на небе.
Американские радиофизики Роберт Уилсон и Арно Пензиас в шестидесятых годах прошлого века поймали необъяснимый сигнал, интенсивность которого не менялась от направления на небосводе. 'Измерения эффективной зенитной температуры шума дали значение на три с половиной градуса выше, чем ожидалось' - написали они в статье Astrophysical Journal в 1965 году. Через тринадцать лет Пензиас и Уилсон были удостоены за эту работу Нобелевской премии.
Так было открыто реликтовое излучение. Дальнейшие измерения показали, что температура реликтового фона составляет чуть меньше трёх градусов Кельвина, а его спектр описывается законом Планка. То есть простирается на все частоты, его можно найти на любой длине волны. И Мак-Келлар, и Шмаонов, и Пензиас с Уилсоном, хотя и исследовали сигналы в совершенно разных диапазонах, имели дело с одним источником - реликтовым излучением.
Принято считать, что излучение это возникло, когда Вселенная была совсем молодой - примерно тринадцать с половиной миллиардов лет назад. Исходную температуру ему задала первичная плазма: невообразимо далёкий, но, похоже, единственный астрономический объект, который и сегодня окружает нас со всех сторон. Не будем сейчас углубляться в детали физических теорий, скажем лишь, что параметры реликтового излучения крайне важны для понимания устройства нашего мира и законов его развития.
Наблюдать реликтовый фон средствами наземной радиоастрономии довольно сложно: сигнал слабый, а приёму серьёзно мешает земная атмосфера. Пытаясь найти выход из положения, в 1974 году группа американских учёных предложила проект под названием COBE (Cosmic Background Explorer - космический исследователь фона). Измерения намечали проводить с борта искусственного спутника Земли, с помощью приёмников-радиометров инфракрасного и микроволнового диапазонов.
Независимо от американцев в самом начале семидесятых советский астрофизик Николай Кардашев также предложил идею исследовать реликтовое излучение из космоса. Сейчас Николай Семёнович - академик, директор Астрокосмического центра ФИАН в Москве.
Предложение использовать внеземную обсерваторию оказалось весьма плодотворным. Если правильно выбрать стратегию наблюдений, космический радиотелескоп будет работать долго и непрерывно, в очень комфортных условиях. А холод окружающего пространства станет служить бесплатным холодильником. Ведь основными способами повышения чувствительности подобных наблюдений служат длительное накопление данных и глубокое охлаждение приёмника.
Идея Кардашева тогда нашла поддержку, и для её осуществления выделили место на очередном советском спутнике серии 'Прогноз'. Вообще-то, для подобных задач 'Прогнозы' не предназначены, их основная работа - исследование солнечной активности и околоземного пространства. Наверное, поэтому места для будущего эксперимента удалось выкроить не очень много, да и то лишь на боковой поверхности аппарата.
Новый проект получил название 'Реликт', а Николай Семёнович Кардашев стал его научным руководителем. Чувствительные радиометры разрабатывали в Москве, в недавно тогда созданном Институте космических исследований (ИКИ). Сначала хотели поставить на спутник приёмники двух частотных диапазонов. Однако работы шли трудно, к тому же места на борту явно не хватало. В результате после ожесточённых споров решили обойтись единственным радиометром на частоту 37 гигагерц (37 000 МГц).
Американский спутник COBE конкурировал с 'Реликтом' и готовился параллельно. Советский прибор был существенно проще, имел меньшие возможности, но к его преимуществам можно отнести лучшее угловое разрешение и применение в приёмнике так называемого параметрического усилителя. При прочих равных условиях это могло дать примерно двукратное повышение чувствительности. Американские специалисты тоже пытались использовать параметрики на самолётах и ракетах, но у них тогда ничего не получилось - сильные вибрации выводили нежные приборы из строя.
Устойчивые в работе параметрические усилители, равно как и другие компоненты космического приёмника, удалось создать в ИКИ, в лаборатории Игоря Струкова. Сейчас Игорь Аркадьевич продолжает работать в Институте космических исследований, он - доктор наук, заведующий отделом.
Важнейшей характеристикой, которую предстояло определить в эксперименте, была пространственная неоднородность (анизотропия) реликтового излучения. В 1977 году Джордж Смут с коллегами уточнили так называемую дипольную составляющую анизотропии. Подобная неоднородность возникает из-за эффекта Доплера, при движении наблюдателя относительно фона.
Измерения тогда были выполнены с высотного самолёта-разведчика U2, бывшего в распоряжении космического агентства США. Людям постарше знакома эта марка: первого мая 1960 года такой самолёт был сбит советской ракетой в глубине нашей территории - над Свердловском (Екатеринбург). Типичный эпизод 'тёплой' холодной войны: с провокациями, стрельбой и гибелью людей.
Вернёмся, однако, к дипольной составляющей реликтового фона. Её относительная величина оказалась равной примерно одной десятой процента. Но для космологов важны были измерения высших гармоник неоднородностей, которые тогда ожидались на уровне сотых или даже тысячных процента. Для регистрации столь слабых сигналов требовалась большая работа по созданию весьма чувствительных устройств.
Ведущий разработчик СОВЕ, Джон Мэзер, так охарактеризовал ситуацию: 'Приборов, в которых мы нуждались, просто нигде в мире не существовало. Многие вещи приходилось изобретать. А это дело не быстрое...'
Следует отметить, что у американских коллег имелся хороший задел - аппаратура, уже опробованная в наземных наблюдениях, на высотных самолётах и аэростатах. У советской стороны положение оказалось много сложнее. Опыта полётов с такими приборами не было, отсутствовали и необходимые электронные компоненты. Некоторые специалисты вообще считали, что на том уровне техники задача невыполнима в принципе.
Различие проектов заключалось не только в электронике. Для COBE выбрали круговую орбиту на высоте девятисот километров от Земли. Как потом выяснилось, не совсем удачную. 'Реликту' же предстояло путешествие по специально рассчитанной эллиптической орбите с апогеем около семисот тысяч километров. Аппарат должен был улетать далеко за Луну, чтобы её влияние и влияние Земли не мешали наблюдениям.
Четверть века назад, 1 июля 1983 года, советский спутник 'Прогноз-9' успешно вышел на расчётную орбиту. На его борту находилось около десятка научных приборов, в том числе радиометр 'Реликт'. Полёт рассчитывался на шесть месяцев, но спутник прожил чуть дольше, до февраля 1984 года. За это время 'Реликт' сделал около двадцати миллионов измерений, просканировал всю небесную сферу, причём ряд областей был просмотрен дважды (см. 'Наука и жизнь ? 4, 1985 г.).
Задача обработки полученных данных оказалась весьма сложной, ведь космические наблюдения такого рода никогда и никто не проводил. Тем не менее работа была выполнена: построена карта радиоизлучения небесной сферы, определена дипольная компонента, оценён сверху возможный спектр анизотропии. Точность измерений по тем временам была достигнута рекордная, но, как оказалось, недостаточная. Не удалось ответить на самый главный вопрос, который волновал учёных: есть ли, кроме дипольной, малые неоднородности в распределении излучения? Оставалось уповать на будущее и готовить новые, более совершенные наблюдения.
В 1986 году принимается решение о продолжении исследований. Руководителем работ назначают Игоря Аркадьевича Струкова. Проведённый космический эксперимент стал первым этапом большой программы и именовался 'Реликт-1'.
Бывший директор ИКИ, а ныне - профессор университета штата Мэриленд в США, академик Роальд Зиннурович Сагдеев вспоминает: 'Мы рассматривали первый 'Реликт' как своего рода пробу пера, отработку технологии измерений, прелюдию к будущему эксперименту 'Реликт-2''.
А Джон Мэзер так пожелал успехов своим русским коллегам: 'Best wishes for the Relikts! ('Наилучшие пожелания Реликтам!' - рис. 1). Обратите внимание на множественное число: будущий нобелевский лауреат верил, что первым 'Реликтом' дело не ограничится.
На следующем этапе предстояло запустить космический аппарат 'Реликт-2' с новой, охлаждаемой аппаратурой. Лететь предстояло на полтора миллиона километров от Земли, в окрестность так называемой точки либрации - L2. Сейчас такой подход признан оптимальным, и современные космические обсерватории (WMAP, PLANCK) запускаются или планируются к запуску именно в эту точку.
На самом деле работы по созданию новых научных приборов начались вскоре после запуска 'Прогноза-9'. И даже раньше - аппаратура 'Реликта-1' сразу разрабатывалась так, чтобы на её основе можно было сконструировать более чувствительные приёмники различных диапазонов.
В Америке работы по COBE также шли полным ходом. Расчёт был на запуск космическим челноком, но в 1986 году произошла катастрофа 'Челленджера'. Национальное космическое агентство США приостановило полёты многоразовых кораблей и приняло решение использовать для СОВЕ ракету 'Дельта-2'. Потребовалось срочно снизить вес и габариты уже почти готовой конструкции. Только 18 ноября 1989 года, через шесть лет после старта 'Реликта-1', спутник COBE был запущен на орбиту. Жидкого гелия для инфракрасных приборов хватило на десять месяцев, а микроволновые приёмники трудились более четырёх лет.
В 1990 году были опубликованы первые результаты СОВЕ. Инфракрасная аппаратура сработала идеально. Исключительно точно удалось определить спектр реликтового излучения. Он оказался таким же, как у абсолютно чёрного тела, подогретого на 2,73 градуса выше абсолютного нуля. Для космологов это были очень важные сведения: подтверждалась гипотеза Большого взрыва - возникновения Вселенной из первичного раскалённого сгустка (см. 'Наука и жизнь' ? 12, 1993 г., ?? 11, 12, 1996 г.).
Микроволновые радиометры СОВЕ за первый год наблюдений накопили хорошую чувствительность (принятые и суммированные за это время устойчивые сигналы заметно отличались от фона), но магнитное поле близкой Земли сильно исказило измерения. Поэтому американцы тогда пошли путём 'Реликта' - ограничились оценкой анизотропии сверху и вычислением дипольной компоненты. Полученные величины, в пределах точности, соответствовали тому, что ранее определил 'Реликт-1'.
В России всё это время шла подготовка следующего эксперимента. При разработке программного обеспечения старые программы тщательно анализировали, уточняли, а многие писали заново. Для проверки были повторно обработаны данные первого 'Реликта'. Новые алгоритмы оказались более эффективными. Они позволили лучше учесть детали, отфильтровать шумы и - к общей радости - обнаружить наконец столь долго ускользающую анизотропию в реликтовом фоне. Основную роль здесь сыграл Андрей Анатольевич Брюханов, ныне ведущий сотрудник крупной московской фирмы, занимающейся компьютерными системами.
Недавно, роясь в старых бумагах, я нашёл рабочую тетрадь того времени. На рис. 2 - фотография одной из страниц. Красным обведена историческая запись: 'Сигнал обнаружен!'. Андрей Анатольевич - человек аккуратный: он всегда вклеивал в свои тетради текущие распечатки из вычислительного центра. Поэтому мы можем точно определить дату: 3 марта 1991 года.
Сенсационные цифры и выводы ещё несколько месяцев проверялись и уточнялись. За это время удалось надёжно оценить интенсивность неоднородностей и определить величину минимума излучения: 'холодного' пятна на карте небесной сферы (см. 'Наука и жизнь' ? 5, 1994 г.).
После этого результаты были представлены общественности. Сначала, в конце 1991 года, прошло обсуждение в ИКИ. Затем, в январе 1992, был доклад Андрея Брюханова на астрофизическом семинаре в Государственном астрономическом институте. Потом - семинар в Физическом институте Академии наук.
Одновременно были направлены статьи в российские 'Письма в Астрономический журнал' и английские 'Monthly Notices of the Royal Astronomical Society'. Струков поддерживал тесные контакты с группой COBE. Поэтому, как только материалы были получены редакциями, Игорь Аркадьевич послал копии ведущим специалистам за рубеж. А через некоторое время туда были переданы и данные 'Реликта-1' с учётом новой обработки.
Переписка с редакцией журнала 'Monthly Notices...' оказалась долгой, хотя сообщение было послано в раздел срочных публикаций (pink papers). Рецензенты требовали мелких уточнений, исправлений - и всё через обычную почту, на бумаге. В 'Письмах в Астрономический журнал' весь объём был уже занят на несколько месяцев вперёд. В результате статья в 'Письмах...' вышла в мае, а в 'Monthly Notices...' - только в сентябре 1992 года. Да ещё в том же номере 'Monthly...' была опубликована наша давняя работа со старыми результатами. Но редакции честно указали сроки получения исходных версий: в 'Monthly Notices...' - 3 февраля, в 'Письмах...' - 19 февраля 1992 года.
А 23 апреля 1992 года команда COBE устраивает наконец долгожданную презентацию результатов по анизотропии. В 'Astrophysical Journal' выходит целый букет статей. Американские коллеги преодолели все трудности и всё-таки обнаружили в своих данных сигнал!
Это произошло через три месяца после доклада Брюханова, почти через два с половиной года после запуска COBE. И через восемь с половиной лет после запуска советского 'Реликта'.
Далее события развивались более драматично. В 1993 году в 'Astrophysical Journal' появилась статья Чарльза Беннета с коллегами, посвящённая результатам СОВЕ. Авторы утверждали, что в области, где 'Реликт-1' наблюдал 'холодное' пятно, более чувствительные приборы СОВЕ практически ничего не зарегистрировали. Возникли серьёзные сомнения в достоверности измерений 'Реликта' в этой области.
Но найденное 'пятно' было частным и не самым важным результатом 'Реликта-1'. Главным было обнаружение на небесной карте избыточного сигнала: анизотропии фонового излучения, но об этом в статье Беннета ничего не говорилось.
Однако в научных кругах постепенно стало утверждаться мнение, что данным нашего эксперимента нельзя верить. Прошло ещё около двух лет - и ссылки на 'Реликт-1' почти полностью исчезли и из зарубежных статей, и даже из исторических обзоров. Скоро про 'Реликт' забыли и российские авторы.
Пионерские работы часто грешат ошибками. В 1873 году вертушка Вильяма Крукса крутилась вовсе не от давления света и не в ту сторону. В 1910-м Роберт Милликен занизил заряд электрона. Эдвин Хаббл в 1929 году ошибся в измерении космологической постоянной, в дальнейшем названной его именем. Но ошибки эти ничуть не умалили сделанных открытий. Поэтому интересно проследить завершение этой истории - и в России, и за рубежом.
В 2006 году за работы по реликтовому излучению Нобелевский комитет присудил премию по физике американским исследователям Джорджу Смуту и Джону Мэзеру. Именно Мэзер был среди авторов первых предложений по проекту COBE, а затем ответственным за инфракрасный канал спутника. А Смут возглавлял работы по микроволновому измерителю анизотропии. Так что награда более чем заслуженная.
Только в одном интервью, сразу после получения Нобелевской премии, Джон Мэзер так отозвался о российских коллегах: 'Они получили много ценных результатов, но наши всё же оказались лучше'. А в Нобелевских лекциях новые лауреаты даже не упомянули о работах русских предшественников. Как будто ракета с 'Реликтом-1' просто бесславно взорвалась на старте.
Приёмники COBE были весьма чувствительны к переменчивому магнитному полю Земли, его влияние американцы учитывали очень сложным образом. По всем научным канонам в таких случаях требуется независимое подтверждение. Именно эту работу намечалось осуществить в России с помощью нового спутника 'Реликт-2', запуск которого планировался на последние годы уходящего века.
Но в 1997 году высокое космическое начальство приняло 'замечательное' решение: работы по российскому проекту 'Реликт-2' прекратить...
К этому моменту подготовка 'Реликта-2' шла уже более десяти лет. Сформировался большой, сплочённый коллектив. Удалось создать новые, чувствительные приёмники. Их опробовали при двадцати градусах выше абсолютного нуля. В эксперименте такие условия не ожидались, но команда Струкова шла привычным путём: мы надеялись не останавливаться и через некоторое время запустить спутник 'Реликт-3' с рекордными параметрами! Первый комплект радиометров 'Реликта-2' успешно прошёл испытания и продемонстрировал готовность к работе. Были развёрнуты и отлажены уникальные измерительные стенды, разработано и проверено новое программное обеспечение. Стоимость запуска спутника с 'Реликтом-2' была небольшой, значительно меньшей, чем 'Протонов' и обитаемых 'Союзов'.
Но российские академики посчитали работу бесперспективной и не заслуживающей ни внимания, ни продолжения. Как сказал один из них: 'А что тут ещё делать? Всё уже сделал COBE. Это как Васко да Гама: обогнул земной шар - и хватит!'. По-житейски их понять можно: время было тяжёлое, и каждый из сильных мира сего тянул куцее финансовое одеяло на себя...
В течение некоторого времени Игорь Аркадьевич Струков пытался пристроить готовую аппаратуру хоть на какой-то космический аппарат, но ничего не вышло. Оборудование свалили в кучу, с трудом налаженные стенды разобрали, а уникальные специалисты почти все разбежались кто куда. Многолетний опыт создания уникальных научных приборов оказался совершенно невостребован.
В этой обстановке наши заокеанские коллеги неспешно готовили следующий 'реликтовый' спутник - MAP (Microwave Anisotropy Probe - зонд микроволновой анизотропии).
Аппарат был успешно запущен летом 2001 года. В дальнейшем его названию стала предшествовать буква 'W' - в честь неутомимого американского исследователя реликтового излучения Дэвида Уилкинсона (David Wilkinson), умершего от рака в сентябре 2002 года. Сейчас WMAP летает уже более семи лет, обработка его данных блистательно подтвердила результаты 'Реликта-1' и СОВЕ.
Процитируем ещё раз академика Сагдеева: 'Мы могли бы стать первопроходцами в этой области науки о космосе, но вот не вышло. Я уверен, что если бы 'Реликт-2' состоялся, то сегодня мы бы имели в новой нобелевской команде ещё и третьего лауреата, Игоря Струкова'.
Да, 'Реликт-2' так и не родился. Но 'Реликт-1' - был! Первая, пионерская попытка выполнить подобные измерения из космоса состоялась. Шаг в неизведанное сделан. Ведь тогда никто не знал, есть ли вообще у реликтового фона анизотропия. Не были известны условия наблюдений. И очень многие серьёзно полагали, что столь чувствительный приёмник никогда не сможет нормально работать в космосе.
Однако всё заработало. Это, безусловно, можно считать удачей. Но главное в любом эксперименте - результат. Говорят, что война не закончена, пока не похоронен последний павший солдат. Наверное, научный эксперимент тоже не может считаться завершённым, пока не будут развеяны последние сомнения на его счёт. Я постараюсь показать, что сегодня сомневаться в результатах 'Реликта-1' нет никаких оснований.
В работах отечественных авторов нам не удалось найти существенной критики эксперимента. Об ошибке 'Реликта-1' судили люди из команды СОВЕ. Какие же причины могли привести американских коллег к такому выводу?
На рис. 3 показан сигнал, который измерил 'Реликт-1'. Зелёная 'гора' в центре и тёмные провалы по краям - это дипольная составляющая реликтового излучения. 'Скалистая гряда' позади - радиоизлучение плоскости нашей Галактики. Если приглядеться, то можно заметить, что сигнал диполя - по идее, гладкая синусоидальная функция - весь изрезан острыми зубцами. Так проявили себя шумы приёмной аппаратуры. На этом фоне трудно углядеть интересующую нас анизотропию.
На рис. 4 представлены результаты СОВЕ. Дипольная компонента для наглядности удалена, 'холмы и впадины' шумов здесь существенно меньше. Но всё равно - сигнал едва превышает шум. В этой ситуации прямые сопоставления СОВЕ и 'Реликта-1' следует делать крайне осмотрительно, чтобы они не превратились в пустое сравнение шумов одного эксперимента с шумами другого. Особенно это касается анализа одиночных выбросов: 'горячих' и 'холодных' пятен на карте.
Как же сравнивать разные наблюдения, что взять за эталон? К настоящему времени известны три космических опыта по измерению анизотропии фона: 'Реликт-1' (или просто 'Реликт' - ведь он так и остался единственным), СОВЕ и WMAP (рис. 5).
Высота столбиков показывает чувствительность - чем ниже, тем чувствительнее. Диаметр иллюстрирует угловое разрешение - чем он меньше, тем разрешение лучше. Видно, что СОВЕ легко обходит 'Реликт-1' по чувствительности, но несколько уступает по угловому разрешению. Столбик, относящийся к WMAP, почти неразличим. Этот эксперимент в десятки раз превосходит своих предшественников по всем параметрам.
На рис. 6 показаны данные (без дипольной компоненты), собранные спутником WMAP за пять лет наблюдений. Лёгкое волнение в лилово-белых тонах - вовсе не шум. Это и есть анизотропия реликтового фона. Шум здесь почти не заметен в любой точке. Поэтому данные WMAP можно рассматривать как почти идеальную модель радиоизлучения небесной сферы. Если сравнивать с чем-то 'Реликт', то именно с WMAP.
Американский спутник работал на частотах от двадцати до ста гигагерц. В нижней части диапазона к реликтовой анизотропии добавлялись неоднородности излучения разрежённого межзвёздного газа, а в верхней - космической пыли. Если посмотреть зависимость сигнала WMAP от частоты, окажется, что для наблюдений лучше всего подходит интервал от сорока до восьмидесяти гигагерц. Частота в тридцать семь гигагерц, выбранная для 'Реликта-1', оказалась весьма близкой к оптимальной.
Использование 'Реликтом' единственной рабочей частоты заметно упростило эксперимент, но могло бы серьёзно затруднить выделение сигнала анизотропии на фоне других видов излучений. Однако данные WMAP свидетельствуют, что в этой частотной точке анизотропию более чем на три четверти определяет реликтовое излучение и лишь максимум на четверть - прочие источники. Таким образом, выбор одночастотного метода измерений следует признать вполне оправданным.
Конечно, этот вывод справедлив только для поискового, пионерского эксперимента, каким и был 'Реликт-1'. Последующие, более точные и детальные наблюдения требуют многочастотных измерений. Именно для них выполнены спутники СОВЕ, WMAP и подготовленный к запуску PLANCK. Таким когда-то планировался и 'Реликт-2'.
Перейдём теперь к пресловутому 'холодному' пятну - области минимальной яркостной температуры, обнаруженной 'Реликтом-1' и почему-то не найденной СОВЕ.
На рис. 7 показана часть радиокарты WMAP (в эклиптических координатах). Данные соответствующим образом сглажены, чтобы угловое разрешение соответствовало 'Реликту'. Синий цвет отмечает минимумы измеренной температуры. Жёлтым прямоугольником выделена зона 'холодного' пятна 'Реликта'.
Видно, что внутри прямоугольника находятся несколько областей пониженной температуры. Причём одна из них - знаменитое 'Cold Spot': самое 'холодное' пятно на всей карте WMAP. Так что понижение температуры, найденное 'Реликтом-1', надёжно подтверждается.
Выделение 'холодного' пятна в своё время проводилось путём специального сглаживания данных 'Реликта'. 'Холодные' области при этом слились в одно большое пятно, которое и было обнаружено. В публикациях команды 'Реликта' указаны параметры измеренного минимума температуры. Точное положение самого пятна тогда определить не удалось из-за высокого уровня шума. Поэтому и была обозначена обширная зона внутри жёлтого прямоугольника.
Следует отметить, что на карте WMAP правая часть этой прямоугольной области имеет яркостную температуру, близкую к нулю. Остаётся предположить, что именно это место исследовали наши американские коллеги, когда пришли к выводу о несоответствии данных 'Реликта' и СОВЕ.
Как уже говорилось, самым главным, что обнаружил 'Реликт-1', было не 'холодное' пятно, а избыточный шум на всей небесной карте. Шум, который был интерпретирован как высшие гармоники анизотропии реликтового излучения.
Недостаточная чувствительность 'Реликта' не позволила тогда серьёзно рассуждать о форме спектра обнаруженного сигнала. Поэтому расчёты делались для некоторой теоретической модели, так называемого спектра Харрисона - Зельдовича. С учётом погрешностей оценка для этой модели получилась сопоставимой с аналогичными оценками СОВЕ.
Измерения, проведённые спутником WMAP, показали, что спектр на самом деле несколько отличается от модельного. Младшие спектральные компоненты оказались неожиданно слабыми. Но интегральная мощность получилась примерно такая же. В этом смысле оценки анизотропии, сделанные на основе данных 'Реликта-1', СОВЕ и WMAP, не противоречат друг другу.
Хотя измерения 'Реликта-1' формально подтвердились, дотошный критик может посчитать это случайным совпадением. Ведь спектр и форма сигнала 'Реликта' на самом деле не были определены. Анизотропию вычисляли методом дисперсионного анализа, по небольшому избытку измеренных значений в сравнении с чистым шумом. И совершенно неясно, вызван ли подобный избыток реальным сигналом или же совсем другими причинами, например электрическими помехами или побочными излучениями, попавшими на антенны приёмника.
Что же делать в такой ситуации? Ведь прямые сопоставления данных 'Реликта-1' даже с идеальным образцом не позволяют судить о природе обнаруженного избытка. Отличительные черты слабого сигнала оказываются неразличимы на фоне сильных шумов.
К счастью, высокое качество измерений WMAP позволяет нам пойти другим путём. Из данных 'Реликта-1' можно выделить ту часть, которая коррелирует с WMAP. Если она окажется недостаточной по величине или отрицательной по знаку, придётся признать обнаруженный 'Реликтом-1' сигнал ошибкой, артефактом.
В своё время мы пробовали выполнить подобную операцию с данными СОВЕ, однако из-за больших шумов выводы получались ненадёжными.
Предлагаемый подход широко используется в радиотехнике: это разные виды корреляционного и синхронного приёма. Из математической статистики известно, что такие процедуры близки к оптимальным и обеспечивают наибольшую эффективность оценок.
Для корреляционного анализа мы взяли четырнадцать старых сканов 'Реликта' и столько же сканов, но сформированных из последних карт WMAP. Все данные затем были дополнительно сглажены с угловым разрешением пятнадцать градусов. Результаты вычислений приведены на рис. 8.
Видно, что корреляция данных WMAP и 'Реликта-1' (красная кривая) выходит положительной для всех без исключения сканов. По интенсивности коррелированная часть близка к сигналу WMAP (синий график). В принципе подобная конфигурация могла бы получиться и без сигнала, в результате чисто случайной 'игры' шума. Поэтому методом статистического моделирования мы определили вероятность такой ситуации: она оказалась менее двух процентов. Исключение из анализа 'холодного' пятна практически не изменяет результат.
Итак, уверенно заключаем: избыточный шум, обнаруженный много лет назад в эксперименте 'Реликт-1', вовсе не ошибка. С вероятностью девяносто восемь процентов он соответствует тому сигналу, который впоследствии был точно измерен спутником WMAP. Данные первого космического измерителя анизотропии окончательно подтвердились.
***
Можно закрыть пожелтевшую тетрадь Андрея Брюханова: эксперимент завершён. Минуло двадцать пять лет. В мёртвой лунной пыли давно упокоились искорёженные обломки спутника. Осыпались и уже не читаются старые магнитные ленты. Сданы в металлолом никому не нужные приборы.
Но я горжусь, что мне посчастливилось участвовать в этой замечательной работе. Работе высочайшего, 'нобелевского' уровня. Только жаль, что уже никогда не собрать всех тех, с кем мы трудились когда-то вместе. А ведь были они людьми весьма достойными, самоотверженными и умелыми. Они были первыми.
СЛОВАРИК К СТАТЬЕ
Параметрический усилитель - радиоэлектронное устройство, в котором усиление сигнала по мощности происходит за счёт внешнего источника энергии (генератора накачки), который периодически меняет параметр усилителя - его электрическую ёмкость или индуктивность. Отличается малым уровнем шумов, применяется для усиления слабых сигналов в радиоастрономии.
Точки либрации (точки Лагранжа, L-точки) - пять особых точек в системе двух массивных космических тел. В них третье тело с пренебрежимо малой массой, на которое действуют только силы тяготения, остаётся неподвижным относительно этих тел: гравитационное притяжение уравновешивают центробежные силы. Все точки либрации лежат в плоскости орбиты массивного тела. Точки L1 - L3 находятся на прямой, проходящей через центры тел, L4 и L5 - на орбите, под углами 60R по обе стороны от неё. Космический корабль в точке либрации может оставаться очень долго, корректируя своё положение двигателями малой тяги. Решение задачи трёх тел, приводящее к нахождению всех пяти точек, выполнил французский математик Ж.-Л. Лагранж в 1772 году.
Вертушка Крукса - четырёхлопастная крыльчатка, уравновешенная на игле внутри стеклянной колбы с небольшим разрежением. При попадании на лопасть светового луча крыльчатка начинает вращаться, что обычно объясняют давлением света. На самом деле причиной вращения служит радиометрический эффект - возникновение силы отталкивания за счёт разницы кинетических энергий молекул газа, налетающих на освещённую, нагретую сторону лопасти и на противоположную, более холодную. Открыл этот эффект и построил радиометр (вертушку) в 1874 году английский физик и химик Вильям Крукс. П. Н. Лебедев в 1901 году измерил силу давления света на твёрдое тело, сумев в ходе весьма тонких экспериментов избавиться от действия радиометрического эффекта.
Закон Хаббла - скорость удаления галактик прямо пропорциональна расстоянию до них. Коэффициент пропорциональности (постоянная Хаббла), по современным данным, оценивается как 70 километров в секунду на каждый мегапарсек расстояния (один мегапарсек приблизительно равен 3,3 миллиона световых лет). Закон сформулирован американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году по результатам наблюдений небольшого числа ближайших к нам галактик. Первоначальное значение коэффициента пропорциональности, определённое Хабблом, было около 500 километров в секунду на мегапарсек.
Яркостная температура - характеристика спектральной плотности энергетической яркости любого нагретого объекта, равная температуре абсолютно чёрного тела, имеющего такую же яркость в том же интервале длин волн. Используется при исследовании космических источников излучения (Солнца, звёзд, межгалактического газа и пр.).
Детальное описание иллюстраций:
Рис. 3. Сигнал, который измерил 'Реликт-1'. По вертикальной оси отложена яркостная температура, по горизонтальным осям - координаты на небесной сфере. Зелёная 'гора' в центре и тёмные провалы по краям обусловлены дипольной составляющей реликтового излучения, 'скалистая гряда' позади - радиоизлучением плоскости нашей Галактики. Мелкие 'холмы и впадины' вызваны шумами приёмной аппаратуры.
Рис. 5. Характеристики космических экспериментов 'Реликт-1', СОВЕ и WMAP. Чем ниже столбик, тем чувствительнее эксперимент; чем диаметр меньше, тем лучше угловое разрешение. WMAP в десятки раз превосходит своих предшественников по всем параметрам.
Рис. 6. Результаты измерений спутника WMAP, сглаженные и пересчитанные на рабочую частоту 'Реликта-1'. Дипольная компонента удалена. Уровень шума здесь пренебрежимо мал в любой точке. Эти данные можно рассматривать как почти идеальную модель радиоизлучения небесной сферы.
Рис. 7. Часть радиокарты WMAP в эклиптических координатах. Синий цвет отмечает минимумы яркостной температуры. Внутри зоны 'холодного' пятна 'Реликта' можно найти как минимум три области пониженной температуры. Одна из них - знаменитое 'Cold Spot': самое 'холодное' пятно на всей карте.
Рис. 8. Взаимная корреляция данных 'Реликта-1' и WMAP (красная линия) и сигнал WMAP (синяя линия). Корреляция - положительная для всех, без исключения, сканов. По интенсивности коррелированная часть близка к сигналу WMAP. По вертикальной оси отложен квадратный корень из взаимной корреляции (в миллионных долях градуса Кельвина и с учётом знака).
http://www.echo.msk.ru/blog/echomsk/619557-echo/
Переписка Бориса Стругацкого и Михаила Ходорковского
http://old-rozental.ru/punctuatio.php?sid=154#pp154