Как учените случайно доказаха Големия взрив

Преди 50 години американските радиоастрономи Арно Пензиас и Робърт Уилсън правят откритие, което се смята за едно от най-големите постижения на ХХ век – те откриват потвърждение на теорията на Големия взрив. Абсолютно случайно.

В средата на ХХ век има две гледни за възникването на Вселената. Някои учени се придържат към теорията на Големия взрив, предложена в края на 40-те години в САЩ от астронома Георги Гамов, емигрант от СССР. Алтернативната теория е за стационарна Вселена, която предполага, че разширяващата се Вселена няма нито начало, нито край. Освен това в нея постоянно се образува ново вещество, така че неговата плътност остава неизменна.

Според теорията на Гамов след Големия взрив Вселената е била запълнена с плътна гореща плазма от фотони, електрони и протони. В процеса на разширение и изстиване на Вселената електроните и протоните са започнали да се съединяват, образувайки водород, от който след това под действие на гравитационните сили са започнали да се образуват звезди, от тях – галактики, и т.н.

Това се е случило, когато възрастта на Вселената е била около 378 000 години. Фотоните, останали оттогава, и до днес долитат до нас, образувайки така нареченото реликтово лъчение. Него открили Пензиас и Уилсън.

Неясни смущения

През 60-те години в Лабораториите Бел в Ню Джърси (САЩ) е построена радиоантена, която първоначално е предназначена за работа с една от първите системи за спътникова връзка Echo. След няколко години тези спътници остаряват, антената престава да се използва за търговски цели и е предоставена на учените. Пензиас и Уилсън първоначално искат да регистрират излъчване на неутрален водород.

Водородът е най-разпространеният елемент във Вселената, в Космоса той основно съществува в неутрално състояние – ако не е йонизиран от лъчението на звездите, водородът нищо не излъчва и е невидим за телескопите.

Но около веднъж на 11 милиона години електроните във всеки отделен атом (водородът се състои от един протон и един електрон) може спонтанно да променя своя спин, изпускайки квант лъчение с дължина на вълната 21,1 сантиметра. Независимо че това се случва невъобразимо рядко, водородът във Вселената е толкова много, а тя съществува толкова дълго, че това излъчване може да се регистрира.

Но през цялото време на учените пречи микровълновият шум, чийто източник те не могат да определят – той идва от всички страни. Изследователите подозират в неговото възникване Ню Йорк, военните с техните изпитания и накрая – изобщо всичко, което им идва наум.

В даден момент Пензиас и Уилсън откриват, че антената е оцапана от гълъби. Учените решават: ето я причината за шума. Те почистват антената и прогонват птиците, но последните упорито се връщат. В резултат на физиците се налага да ги отстрелват. И това не помага – птици вече няма, а шумът продължава.

Нобелова награда за шум

Пензиас случайно се среща с колега, който го съветва да се свърже с американския физик Робърт Дике. По това време Дике целенасочено се занимава с търсенето на реликтово лъчение за потвърждение на теорията на Големия взрив. Той вече има планирани експерименти, но след разговор с Пензиас става ясно, че са го изпреварили и „неясният шум“ е въпросното реликтово лъчение.

За своето откритие Пензиас и Уилсън получават Нобелова награда през 1978 година.

…и още една за неговото изследване

В началото на 70-те години американският физик Джим Пийбълс и руските учени Рашид Сюняев и Яков Зелдович предсказват анизотропия на реликтовото лъчение – малки вариации в температурите на реликтовото лъчение, – която средно е 2,73 келвина (минус 270,42 градуса по Целзий).

Тези вариации са заложени в реликтовото лъчение от самото начало – това е отпечатък от смущенията и разпределението на първичното вещество и енергия, поради които то е започнало да се събира в звезди и по-големи структури.

Фиксирането на анизотропията на реликтовото лъчение е невъзможно с наземни телескопи, но през 1983 година Съветският съюз изпраща апарата „Реликт 1“, предназначен за регистриране на анизотропия на космическото лъчение, а през 1989 г. НАСА извежда на орбита космическия апарат СОВЕ (Cosmic Background Explorer, „Изследовател на космическия фон“).

Резултати от двата експеримента, потвърждаващи теоретичните предсказания, са получени през 1992 година.

Съветските учени с няколко месеца изпреварват американските си колеги. Но резултатите от „Реликт1“ изискват по-нататъшна проверка, която следва да се проведе с изпращането на проекта „Реликт 2“ през 1993–1994 г. за провеждане на наблюдения от борда на космическия апарат „Либрис“.

Поради разпадането на Съветския съюз той не е изпратен и през 2006 година Нобелова награда за физика за експерименталното потвърждение на анизотропията на реликтовото лъчение е връчена на американските учени.