Зонд микроволновой анизотропии Уилкинсона

«Невероятно!», «Новая веха!» —так восклицали в феврале 2003 го-
да обычно сдержанные астрофизики, описывая драгоценные данные,
полученные с последнего спутника. Зонд микроволновой анизотро-
пии Уилкинсона (спутник WMAP), названный в честь крупнейшего
астрофизика Дэвида Уилкинсона и запущенный в 2001 году, пред-
ставил ученым беспрецедентно точную и детальную картину ранней
Вселенной, возраст которой не превышал 380 000 лет. Колоссальная
энергия, которая вырвалась из первоначального огненного облака,
давшего начало звездам и галактикам, продолжает циркулировать
в нашей Вселенной уже миллиарды лет. И вот ее засняли на пленку
в мельчайших деталях с помощью микроволнового анизотропного

зонда Уилкинсона. Эта съемка принесла нам невиданную доселе кар-
ту поразительно четкую фотографию неба, на которой можно уви-
деть микроволновое излучение — результат того самого Большого
Взрыва. Журнал «Times» назвал это излучение «эхом творения».
И теперь астрономы всегда будут видеть небо в новом свете.

Джон Бакал из Принстонского института передовых исследова-
ний назвал открытия спутника WMAP своеобразным «ритуалом,
сопровождающим переход космологии от предположений к точной
науке». Впервые данные о раннем периоде истории Вселенной по-
зволили космологам точно ответить на древнейший из когда-либо
заданных вопросов — на вопрос, который озадачивал и интриговал
человечество с тех самых пор, как мы впервые подняли глаза и уви-
дели неземную красоту ночного неба. Каков возраст Вселенной?
Каковы ее параметры? Какая судьба ее ждет?

В 1992 году предыдущий спутник, СОВЕ (космический аппарат
для изучения реликтового излучения), предоставил в наше распоря-
жение первые размытые снимки реликтового излучения, пронизы-
вающего небеса. Полученные беспрецедентные результаты вызвали
и определенное разочарование, поскольку представленная картина
ранней Вселенной была несфокусированной. Это не помешало прес-
се возбужденно окрестить фотографию излучения «ликом Божиим».
Но правильнее было бы сказать, что размытые снимки со спутника
СОВЕ представляли «младенческую фотографию» Вселенной. Если
посчитать сегодняшнюю Вселенную восьмидесятилетним старцем,
то снимки, сделанные спутником СОВЕ (а позднее — зондом микро-
волновой анизотропии Уилкинсона), фиксируют ее «новорожден-
ной», когда ей и дня еще не исполнилось.

Почему же зонд Уилкинсона смог предоставить нам беспреце-
дентные снимки зарождающейся Вселенной? Да потому, что ночное
небо подобно машине времени. Поскольку свет распространяется
с конечной скоростью, мы видим звезды в небе такими, какими они
были когда-то, а не такими, каковы они сейчас. Расстояние от Луны до
Земли свет проходит не мгновенно — ему для этого требуется секун-
да с небольшим; поэтому, когда мы смотрим на Луну, в действительно-
сти мы видим ее такой, какой она была секунду назад- На расстояние
от Солнца до Земли световой луч затрачивает около восьми секунд.
Многие из известных нам звезд настолько далеки от нас, что их све-

товому лучу требуется от десяти до ста лет, чтобы достичь пределов
нашей видимости. (Иными словами, они находятся на расстоянии от
десяти до ста световых лет от Земли. Световой год чуть меньше деся-
ти триллионов километров — именно такое расстояние свет прохо-
дит за год.) Световые лучи из отдаленных галактик достигают Земли
за сотни миллионов, а то и миллиарды световых лет. Таким образом,
они являются источниками «ископаемого» света, при этом некото-
рые из них испустили его еще до появления динозавров. Среди самых
отдаленных объектов, которые мы можем наблюдать с помощью
телескопов, есть так называемые квазары, гигантские «космические
маяки», генерирующие невероятные количества энергии на окраи-
нах видимой Вселенной. Они находятся на расстоянии 12-13 млрд
световых лет от Земли. И вот сегодня зонд Уилкинсона зафиксировал
еще более древнее излучение, «зарево» первоначального Взрыва, в
результате которого возникла наша Вселенная.

Иногда космологи для описания Вселенной используют для ил-
люстрации Эмпайр Стейт Билдинг, возносящийся над Манхэттеном
более чем на сто этажей. С крыши небоскреба тротуары можно
различить с большим трудом. Условимся, что основание небоскреба
представляет собой зону Большого Взрыва. Тогда, если считать, что
мы смотрим с крыши, отдаленные галактики будут находиться на де-
сятом этаже. Квазары, которые еще можно рассмотреть с Земли в те-
лескопы, будут на уровне седьмого этажа. А реликтовое космическое
излучение, измеренное зондом Уилкинсона, поднято над уровнем
тротуара на высоту всего лишь около полутора сантиметров. Таким
образом, зонд Уилкинсона предоставил нам возможность вычислить
возраст Вселенной поразительно точно — с погрешностью всего
лишь в 1 %: 13, 7 млрд лет.

Запуск зонда Уилкинсона стал результатом более чем десяти-
летней напряженной работы астрофизиков. Концепция спутника
с зондом Уилкинсона на борту была впервые предложена НАСА в
1995 году и одобрена через два года. 30 июня 2001 года сотрудники
НАСА разместили зонд Уилкинсона на борту ракеты «Дельта II» и
вывели ракету на орбиту между Солнцем и Землей. Тщательно рас-
считанным пунктом назначения стала вторая точка Лагранжа (или
Л2, одна из точек гравитационного равновесия между Землей, Луной
и Солнцем), которая обеспечивает наилучший обзор. В поле обзора

спутника не попадают ни Солнце, ни Земля, ни Луна, благодаря чему
зонд Уилкинсона всегда транслирует четкую картину Вселенной.
Спутник полностью сканирует небо с периодичностью в шесть ме-
сяцев.

Спутник оснащен самой современной аппаратурой. С помощью
встроенных мощных сенсоров он может уловить слабое микровол-
новое излучение, оставшееся после Большого Взрыва. Это излучение
омывает всю Вселенную, но наша атмосфера его в значительной
мере поглощает. Спутник сделан из алюминиевого сплава. Его разме-
ры — 3, 8 х 5 м, вес — 840 кг. Спутник снабжен двумя телескопами,
которые фокусируют микроволновое излучение из окружающего
неба, а затем полученные данные передаются на Землю. Для работы
спутнику необходима мощность всего лишь в 419 ватт (что равняет-
ся мощности четырех-пяти стандартных электрических лампочек).
Зонд Уилкинсона располагается на расстоянии 1, 5 млн км от Земли,
оставляя далеко за собой все атмосферные колебания, которые скры-
вают слабое микроволновое излучение. Именно благодаря такому
расположению спутник может непрерывно сканировать небо.

Свое первое сканирование неба спутник завершил в апреле 2002
года. Через полгода было завершено и второе полное сканирование.
На сегодняшний день зонд Уилкинсона предоставил нам наиболее
полную и точную из всех когда-либо существовавших карту микро-
волнового излучения. Существование реликтового микроволнового
излучения, обнаруженного и зафиксированного зондом Уилкинсона,
впервые предсказал Георгий (Джордж) Гамов со своими сотрудника-
ми в 1 948 году; они также обращали внимание на то, что это излучение
должно иметь собственную температуру. Зонд Уилкинсона измерил
эту температуру, зафиксировав ее на уровне чуть выше абсолютного
нуля, между 2, 7249° и 2, 725 Г по шкале Кельвина.

Невооруженному глазу карта неба, отсканированная зондом
Уилкинсона, не покажется интересной: мы увидим лишь беспоря-
дочное скопление точек. Однако некоторые астрономы чуть не
рыдали над этим скоплением точек, поскольку они представляют
из себя флуктуации, или неравномерности, первоначального огнен-
ного катаклизма — Большого Взрыва — сразу после возникнове-
ния Вселенной. Эти крошечные флуктуации подобны «семенам»,
которые буйно разрослись, когда распустился «бутон» Вселенной.

Сегодня из этих крошечных семян «расцвели пышным цветом» га-
лактические скопления и галактики, сверкающие на небесах. Иными
словами, наша Галактика Млечный Путь и все скопления галактик
вокруг были когда-то этими крошечными флуктуациями. Измерив
распределение этих флуктуации, мы поймем происхождение галак-
тических скоплений из этих точек, вытканных на гобелене ночного
неба.

Эта фотография, сделанная спутником WMAIJ представляет «Вселенную в детстве», то есть такую, какой она была всего лишь через 380 ООО лет после своего возникновения. Каждая точка весьма правдоподобно представляет крошечную квантовую флуктуацию, неравномерность в зареве творения. Все они в результате расширения превратились в галактики и галактические скопления, которые мы наблюдаем сегодня.

Сегодня ученые в выдвижении новых теорий не поспевают за
потопом поступающих астрономических данных. В общем, я бы не
согласился с тем, что наступает золотой век космологии. (Как ни
впечатляет зонд Уилкинсона, достижения его покажутся не такими
уж значительными по сравнению со спутником «Планк», который
европейцы собираются запустить в 2007 году. «Планк», как надеют-
ся астрономы, даст нам еще более точные картины микроволнового
реликтового излучения.) Однако мы вполне можем сказать, что кос-
мология наконец вступает в период зрелости. После многолетнего
прозябания в болоте предположений и фантастических гипотез
она выходит из тени точных наук. Исторически так сложилось, что

космологи пользовались несколько подмоченной репутацией.
Ошеломляющая страстность, с которой они излагали свои гранди-
озные теории о возникновении Вселенной, была сравнима со столь
же ошеломляющей бедностью их данных. Недаром нобелевский
лауреат Лев Ландау саркастически отмечал, что «космологи часто
ужасаются, но никогда не сомневаются». Среди ученых-естествен-
ников популярна старая поговорка: «Есть предположения, дальше
идут предположения о предположениях, а еще дальше — космоло-
гия».

В бытность мою студентом-физиком в Гарварде в конце 1960-х
годов я некоторое время лелеял мысль заняться космологией — меня
с детства волновал вопрос о происхождении Вселенной. Однако
знакомство с этой наукой показало ее постыдную примитивность.
Это была вовсе не та экспериментальная наука, где можно проверять
гипотезы при помощи точных приборов, а скорее груда неопреде-
ленных и в высшей степени недоказательных теорий. Космологи
вели жаркие дискуссии о том, возникла ли Вселенная в результате
космического взрыва или же она всегда пребывала в устойчивом со-
стоянии. Но теорий у них всегда было намного больше, чем данных.
Так оно всегда: чем меньше данных, тем жарче споры.

На протяжении всей истории космологии эта нехватка досто-
верных данных приводила к жестоким войнам между астрономами,
затягивавшимся иногда на десятилетия. (В частности, на некоем на-
учном форуме непосредственно перед тем, как Аллан Сэндидж из
обсерватории Маунт Уилсон должен был выступить с докладом о
возрасте Вселенной, предыдущий оратор объявил с сарказмом: «Все,
что вы сейчас услышите, — вранье». А сам Сэндидж, прослышав о
том, что группа ученых-соперников добилась определенного успеха,
прорычал: «Это все полная чушь. Война так война!»)