В течение последних лет в космологии было сделано принципиально важное открытие. Это было наблюдение анизотропии реликтового излучения (РИ). Бесспорно, основной источник этого достижения - развитие современной наблюдательной техники, становление астрономического наземного и космического эксперимента. Астрофизики разных стран упорно работали над созданием сверхчувствительной аппаратуры, способной слышать "писк" новорожденной Вселенной. Другой важной причиной, побудившей астрономов - наблюдателей активно заниматься поиском анизотропии, является развитие физической теории и теоретической космологии. Космология в целом использует практически все достижения современной физики, причем запросы космологии растут значительно быстрее, чем возможности современного физического эксперимента. Поэтому в космологии используются физические теории, еще не проверенные в физическом эксперименте, которые проверяются на жизнеспособность сравнением с наблюдениями в космологии. Одной из лучших проверок такого рода является сравнение предсказаний отдельных теорий с результатами наблюдений анизотропии реликтового излучения.

Гипотезу о существовании такого излучения высказал в 1946 г. Г.А.Гамов. В 50-x годах нашего века он предложил идею горячей Вселенной, применив в космологии идеи ядерной физики и термодинамики. В горячем и плотном веществе ранней Вселенной должны были происходить термоядерные реакции, которые приводят к наблюдаемому обилию химических элементов. Сейчас эта теория называется теорией нуклеосинтеза. Частицы, составляющие горячую первичную плазму, находились в состоянии термодинамического равновесия. Одной из таких частиц был фотон. В ту эпоху у фотонного газа сформировался спектр абсолютно черного тела с температурой, равной температуре окружающей плазмы. В ходе расширения температура фотонов постоянно понижалась. Поэтому одним из побочных результатов теории космологического нуклеосинтеза было предсказание реликтового излучения.

Сам Гамов вычислил его характеристики, в частности определив его температуру. Поскольку к моменту создания работы большинство сечений термоядерных реакций еще были секретными величинами, то Гамов получил результат примерно в два раза расходящийся с измеренным, температура в его вычислениях равнялась 7 K.

Открытие реликтового излучения было сделано Пензиасом и Вилсоном, которые были удостоены Нобелевской премии за это открытие. Наблюдения подтвердили планковскую форму спектра электромагнитного излучения и измерили его температуру (2.75 K).

Отклонения от чернотельного спектра могут образовываться, если во Вселенной происходили неравновесные процессы. Например, если в какой-либо момент эволюции, не слишком далеко отстоящий от стадии рекомбинации, в плазме выделялась энергия. Скажем, в плазме быле нестабильные элементарные частицы, которые распались до рекомбинации. Тогда во Вселенной выделились фотоны, обладающие узким спектром. Они взаимодействуют с электронами, переизлучаются и меняют свою энергию. Процессы перерассеяния приводят к тому, что "впрыснутый" спектр фотонов расплывается и его форма стремиться к равновесному спектру черного тела. Но может оказаться, что времени для установления равновесия не хватит. Тогда в спектре реликтового излучения возникнет избыток, который укажет не только время выделения дополнительной энергии, но и его механизм.

Анизотропия - это разница температуры реликтового излучения в различных направлениях на небе. Она возникает из - за нескольких причин. Прежде всего это эффект Сакса - Вольфа. Он возникает, когда фотон распространяется в неоднородном гравитационном поле. Если фотон движется по нарастающему гравитационному потенциалу он теряет свою энергию и испытывает красное смещение, если он движется по убывающему потенциалу он приобретает энергию и его частота смещается в голубую сторону. Для одного фотона этот эффект приводит к изменению частоты, для ансамбля фотонов - к изменению их температуры.

Второй эффект - эффект Силка. Он возникает для адиабатических флуктуаций плотности. Если энтропия плазмы (т.е. отношение числа барионов к числу фотонов) однородна по пространству, то флуктуации плотности материи приводят к флуктуациям числа фотонов. Другими словами, место, где больше плотность, будет горячей. После просветления такие неоднородности выглядят как муар или рябь на поверхности последнего рассеяния.

Наряду с изменениями плотности важную роль играет допплер - эффект пекулярного движения вещества, т.е. случайные движения, наложенные на общее хаббловское расширение. Из - за этого движения энергия излученных фотонов меняется в соответствии с эффектом Допплера и это есть третий физический механизм, вызывающий анизотропию реликтового излучения.

Каждый шаг в исследовании реликтового излучения требовал больших усилий экспериментаторов. Однако каждый шаг приводил к важным физическим открытиям. Открытие реликтового излучения подтвердило теорию горячей Вселенной и является сейчас одним из наиболее важных фактов подтверждающих теорию Большого Взрыва. Следущим шагом было открытие дипольной анизотропии из-за движения нашей Галактики сквозь РИ. При этом передняя полусфера в направлении движения выглядит чуть горячее, а задняя полусфера чуть холоднее. Обнаружение этой разницы в температуре составляет всего 3mK и это потребовало увеличения чувствительности радиометров в 1000 раз! Открытие дипольной анизотропии позволило установить наиболее универсальную систему отчета, измерить случайные скорости галактик и т.п.

Анизотропия реликтового излучения была открыта в 1992 г. Автор книги сам принимал участие в обработке данных полученных в ходе эксперимента на борту космического аппарата серии "Прогноз". Эксперимент назывался "Реликт". Он был поставлен в Институте Космических Исследований (ИКИ АН СССР) под руководством И. А. Струкова. Большой вклад в создание аппаратуры, без которой невозможно было бы провести эксперимент, был внесен сотрудником ИКИ АН СССР Д.П.Скулачевым.

На спутнике был установлен радиометр на длину волны 8 мм с рекордной по тому времени чувствительностью 35 милликельвин за секунду накопления. Радиометр на одну частоту являлся самым уязвимым местом с точки зрения астрономии. Многочастотный эксперимент позволял сразу выяснить природу анизотропии. Эксперимент типа "Реликта" оставлял много места для спекуляций о природе анизотропии. Радиометр представлял из себя две рупорные антенны, угол между которыми составлял 90^o, причем диаграмма направленности каждой антенны составляла 5^o, и собственно радиометрический тракт. Спутник медленно вращался вокруг своей оси, делая один оборот за две минуты. Один рупор был направлен вдоль оси вращения и все время принимал радиосигнал из одной небесной точки. Он назывался опорным рупором. Второй за две минуты полностью "просматривал" (в астрономии принят термин "сканировал") большой круг небесной сферы. В таком положении спутник находился примерно неделю, успевая просмотреть каждый элемент большого круга несколько тысяч раз. После этого спутник переориентировался и сканировал новый круг на небе. Таким образом была получена карта всего неба на длине волны 8 мм.

Для проведения эксперимента была выбрана высокоапогейная орбита с большой полуосью равной 400 000 км. При этом точка апогея, как легко видеть, находилась дальше орбиты Луны. Сам спутник существовал недолго. Аппаратура "Реликт" работала полгода, картографируя небесную сферу. За время работы было получено свыше 10 000 измерений. В 1984 г. аппарат прекратил свое существование. В 1985 г. по просьбе Я.Б.Зельдовича я подключился к работе по обработке этого эксперимента.

Процесс компьютерного моделирования тогда занимал много времени. На моделирование одной шумовой карты уходило несколько часов счета. Основная вычислительная техника, доступная нам, представляла из себя ЕС1045, один из последних монстров вычислительного мира 80-x годов, а также простенькую машину класса IBM.

Первая обработка карт неба в микроволновых лучах показала отсутствие анизотропии. Наша группа нашла только верхний предел на анизотропию реликтового излучения. Неправильно был выбран алгоритм обработки и была выбрана чересчур упрощенная модель радиотракта приемной аппаратуры. Статья с этими результатами была опубликована в 1987 г.

Следущий этап работы над старыми данными связан с приходом в нашу группу выпускника Государственного астрономического института (ГАИШ) МГУ А.А.Брюханова. Его свежий взгляд на проблему позволил существенно улучшить модель тракта и обнаружить анизотропию, "сигнал" как мы тогда говорили. Вскоре после осознания правильной модели радиотракта Андрей Брюханов заявил, что на радиокартах обнаружена анизотропия. После первого сообщения еще целый год мы занимались моделированием, проверяя различные гипотезы о природе "сигнала". Что это? Случайный шум на карте или реальная анизотропия? Окончательно вопрос для нас был решен к концу 1991 г. Это был реальный сигнал. Правда из - за недостаточной чувствительности надежность обнаружения анизотропии внушала еще некоторые опасения.

В январе 1992 г. на научном семинаре в ГАИШ А.А.Брюханов выступил от лица всей группы с сообщением об обнаружении анизотропии. Одновременно была послана статья в научный журнал на русском языке ("Письма в Астрономический журнал") и чуть позже в журнал Королевского Астрономического общества (Monthly Notices of Royal Astronomical Society).

К этому времени космический аппарат аналогичный аппарату "Реликт" сделанный в НАСА, который назывался "COBE" (аббревиатура английского термина COsmic Background Explorer) находился на околоземной орбите уже почти два года. Он тоже был предназначен для обнаружения анизотропии реликтового излучения.

В конце апреля 1992 г. научный руководитель проекта DMR Дж. Смут на специально созванной пресс-конференции объявил об открытии анизотропии реликтового излучения. Сообщение было распространено по всему свету средствами массовой информации как научная новость номер один. Дж.Смут стал героем дня!

Репортеры посвящали этому событию статьи и, с легкой руки одного из репортеров, который объявил, что теперь человечество увидело лик "господа бога", радиокарты COBE получили большую популярность, проникнув даже в издания далекие от науки. Хочется все-таки заметить, что первым "лик господа бога" увидел выпускник ГАИШ МГУ, наш соотечественник, Андрей Брюханов.