Открытие космического микроволнового фонового излучения представляет собой крупное достижение в современной физической космологии . В 1964 году американский физик Арно Аллан Пензиас и радиоастроном Роберт Вудро Вильсон открыли космический микроволновый фон (CMB) , оценив его температуру в 3,5 К, когда они экспериментировали с антенной Холмдела Хорна . [1] [2] Новые измерения были приняты в качестве важного доказательства горячей ранней Вселенной ( теория большого взрыва ) и в качестве доказательства против конкурирующей теории стационарного состояния [3], поскольку теоретическая работа около 1950 года [4] показала необходимость CMB для согласованности с простейшими релятивистскими моделями Вселенной . В 1978 году Пензиас и Уилсон были награждены Нобелевской премией по физике за их совместное измерение. Ранее Эндрю Маккеллар провел измерение космического фонового излучения (CMB) в 1941 году при эффективной температуре 2,3 К с использованием линий поглощения звезд CN , наблюдавшихся У. С. Адамсом. [5] Хотя Маккеллар не упоминает реликтовое излучение, значимость этого измерения была понята лишь гораздо позже [6] после измерений Пензиаса и Уилсона.
К середине 20 века космологи разработали две различные теории, объясняющие создание Вселенной. Некоторые поддерживали теорию стационарного состояния , которая утверждает, что Вселенная существовала всегда и продолжит существовать без заметных изменений. Другие верили в теорию Большого взрыва , которая утверждает, что Вселенная была создана в результате огромного взрывоподобного события миллиарды лет назад ( позже было установлено, что это произошло примерно 13,8 миллиарда лет назад ).
В 1941 году Эндрю Маккеллар использовал спектроскопические наблюдения линий поглощения CN в спектре звезды класса B, проведенные В. С. Адамсом, для измерения фоновой температуры черного тела в 2,3 К. Маккеллар назвал свое открытие «вращательной» температурой межзвездных молекул», не ссылаясь на космологическую интерпретацию, заявив, что температура «будет иметь свое собственное, возможно, ограниченное значение». [5]
Более двух десятилетий спустя, работая в лаборатории Bell Telephone Laboratories на вершине Кроуфорд-Хилл в Холмделе, штат Нью-Джерси , в 1964 году, Арно Пензиас и Роберт Уилсон экспериментировали со сверхчувствительной рупорной антенной длиной 6 метров (20 футов), изначально созданной для обнаружения радиоволн, отраженных от спутников-шаров Echo . [2] Чтобы измерить эти слабые радиоволны, им пришлось устранить все распознаваемые помехи от своего приемника. Они устранили эффекты радара и радиовещания и подавили помехи от тепла в самом приемнике, охладив его жидким гелием до −269 °C, всего на 4 К выше абсолютного нуля .
Когда Пензиас и Уилсон обработали свои данные, они обнаружили низкий, устойчивый, загадочный шум , который сохранялся в их приемнике. Этот остаточный шум был в 100 раз интенсивнее, чем они ожидали, был равномерно распределен по небу и присутствовал днем и ночью. Они были уверены, что излучение, которое они обнаружили на длине волны 7,35 сантиметра, не исходило от Земли , Солнца или нашей галактики . После тщательной проверки своего оборудования, удаления нескольких голубей , гнездящихся в антенне, и очистки скопившегося помета шум остался. Оба пришли к выводу, что этот шум исходил из-за пределов нашей собственной галактики, хотя они не знали ни одного радиоисточника , который мог бы его объяснить.
В то же время Роберт Х. Дике , Джим Пиблз и Дэвид Уилкинсон , астрофизики из Принстонского университета, находившиеся всего в 60 км (37 милях) от них, готовились к поиску микроволнового излучения в этой области спектра. Дике и его коллеги пришли к выводу, что Большой взрыв должен был рассеять не только материю, сконденсировавшуюся в галактики, но и высвободить огромный выброс излучения. При наличии надлежащих приборов это излучение должно было быть обнаружено, хотя и в виде микроволн, из-за огромного красного смещения .
Когда его друг Бернард Ф. Берк , профессор физики в Массачусетском технологическом институте , рассказал Пензиасу о предварительном отпечатке, который он видел у Джима Пиблза о возможности обнаружения излучения, оставшегося от взрыва, заполнившего Вселенную в начале ее существования, Пензиас и Уилсон начали осознавать значимость того, что они считали новым открытием. Характеристики излучения, обнаруженного Пензиасом и Уилсоном, в точности соответствовали излучению, предсказанному Робертом Х. Дике и его коллегами из Принстонского университета. Пензиас позвонил Дике в Принстон, и тот немедленно отправил ему копию еще неопубликованной статьи Пиблза. Пензиас прочитал статью, снова позвонил Дике и пригласил его в Bell Labs, чтобы посмотреть на рупорную антенну и послушать фоновый шум. Дике, Пиблз, Уилкинсон и PG Roll интерпретировали это излучение как сигнатуру Большого взрыва.
Чтобы избежать потенциального конфликта, они решили опубликовать свои результаты совместно. Две заметки были срочно отправлены в Astrophysical Journal Letters . В первой Дикке и его коллеги изложили важность космического фонового излучения как обоснования теории Большого взрыва. [3] Во второй заметке, совместно подписанной Пензиасом и Уилсоном и озаглавленной «Измерение избыточной температуры антенны при 4080 мегациклах в секунду», они сообщили о существовании остаточного фонового шума 3,5 К, оставшегося после учета компонента поглощения неба 2,3 К и инструментального компонента 0,9 К, и приписали «возможное объяснение», как то, которое дал Дикке в своем сопроводительном письме. [1]
В 1978 году Пензиас и Уилсон были удостоены Нобелевской премии по физике за их совместное открытие. Они разделили премию с Петром Капицей , который получил ее за несвязанную работу. [7] В 2019 году Джим Пиблз также был удостоен Нобелевской премии по физике «за теоретические открытия в физической космологии». [8]
