Реликт-1 — первый в истории эксперимент по изучению реликтового излучения с космического аппарата, осуществлённый на советском спутнике «Прогноз-9» в 1983—1984 годах. В результате эксперимента была построена карта распределения реликтового излучения по небесной сфере. Одной из основных задач эксперимента «Реликт-1» было обнаружение анизотропии реликтового излучения. После обработки данных «Реликта-1», в 1992 году анизотропия реликтового излучения была обнаружена, однако эти результаты оспаривались из-за недостаточной точности эксперимента.
История проекта
Предсказание и обнаружение реликтового излучения Гипотезу о существовании космического микроволнового фонового излучения (), возникшего в эпоху первичной рекомбинации водорода и равномерно заполняющего Вселенную, высказал в 1946 году Георгий Гамов в рамках описывающей начало развития вселенной теории Большого взрыва. В русскоязычной литературе для описания этого явления используется термин реликтовое излучение, введенный в употребление советским астрофизиком И. С. Шкловским. В 1955 году сотрудник Пулковской обсерватории Т. А. Шмаонов, проводя измерения космического радиоизлучения с длиной волны 32 см, обнаружил фоновое излучение, не зависящее от времени суток и направления, температура которого оценивалась в 4±3 К, что коррелировало с предсказаниями Гамова. В 1964 году сотрудники лаборатории «Белл» и обнаружили, что шумовая температура настраиваемой ими антенны превышает ожидаемую величину, причём наблюдаемый «фоновый шум» был постоянным, не зависел от направления антенны и приходил равномерно со всей небесной сферы. Таким образом было обнаружено предсказанное Гамовым реликтовое излучение, равномерно заполняющее всё мировое пространство. Последующие наблюдения подтвердили, что спектр реликтового излучения соответствует спектру абсолютно чёрного тела c температурой 2.725 К. Поверхность, с которой к наблюдателю приходит реликтовое излучение, образует сферу, называемую «поверхностью последнего рассеяния» или «космологической фотосферой», которая соответствует «горизонту частиц», то есть границе той части Вселенной, из которой движущееся со скоростью света реликтовое излучение успело дойти с момента его образования до наблюдателя.
Анизотропия реликтового излучения Реликтовое излучение однородно и изотропно с точностью до , теория предсказывает его небольшую анизотропию (разницу температуры излучения в различных точках космологического горизонта). Вклад в анизотропию реликтового излучения вносят: Движение Земли, Солнечной системы и всей Галактики сквозь реликтовое излучение. За счет эффекта Доплера температура в направлении движения должна повышаться, а в противоположном — понижаться. Эта, так называемая, «кинетическая» составляющая анизотропии реликтового излучения имеет величину около 0,003 К или 3 мК. При прохождении фотонов реликтового излучения через гравитационные поля очень больших масштабов, сравнимые с расстоянием до космологического горизонта, может возникать «потенциальная» составляющая анизотропии, с величиной примерно в 10 раз меньшей, чем для «кинетической» составляющей, около 300 мкК. Космологические теории предсказывают наличие неоднородностей в веществе первичной Вселенной с первых моментов её жизни, которые также должны давать вклад в анизотропию наблюдаемого реликтового излучения.
Исследования реликтового излучения Впервые измерения реликтового излучения были начаты с Земли Д. Т. Улкинсоном и группами американских и итальянских ученых сразу же после его открытия. Но наземным наблюдениям реликтового излучения препятствуют помехи, создаваемые атмосферой, поглощающей и переизлучающей приходящие из космоса радиоволны. Особенно сильно сказывается влияние присутствующего в атмосфере водяного пара, который ухудшает условия работы приемной системы, и всегда неравномерно распределён в пространстве, что приводит к большому разбросу измеряемых температур. Несколько улучшают ситуацию высотные измерения, проводимые на аэростатах и высотных самолётах. В 1977 году в измерениях, проводимых на высотном самолёте-разведчике Lockheed U-2, была оценена дипольная составляющая анизотропии реликтового излучения, возникающая из-за доплеровского эффекта. Но суммарное время высотных измерений, с учётом необходимости накопления больших объёмов информации для компенсации возникающих ошибок, оказывается мало́, а их точность — недостаточна для определения более высоких гармоник анизотропии, важных для подтверждения и развития фундаментальных космологических теорий. Высотные исследования фонового космического излучения проводились группами учёных из Беркли и Принстона в течение 15 лет, суммарное «чистое» время измерений за этот период не превысило 200 часов. В то же время космический аппарат, работающий с аналогичной аппаратурой в течение года, может обеспечить почти полное использование времени измерений и будет аналогичен наземному эксперименту, проводимому непрерывно в течение 50 лет. Впервые идея спутникового эксперимента по измерению реликтового излучения была предложена Н. С. Кардашевым в 1970-х годах. Длительное время заняла разработка прибора с достаточно высокой чувствительностью, который должен был обнаруживать анизотропию реликтового излучения, составляющую сотые и тысячные доли процента.
Проект «Реликт-1» Первым экспериментом по изучению реликтового излучения с борта космического аппарата стал советский проект «Реликт-1», осуществленный в 1983—1984 годах по инициативе Н. С. Кардашева, ставшего научным руководителем проекта. Руководителем эксперимента был И. А. Струков, он же возглавлял группу российских учёных по обработке полученных радиокарт неба. В состав группы входили А. А. Брюханов, М. В. Сажин, Д. П. Скулачёв.
Космический аппарат
Для реализации проекта был выбран аппарат серии «Прогноз». Научно-исследовательские спутники этого типа запускались на высокоэллиптические орбиты и были предназначены для изучения солнечной активности, влияния её на магнитосферу и ионосферу Земли и проведения астрофизических исследований. Спутник «Прогноз-9», на котором проводился эксперимент «Реликт-1», был, как и предыдущие аппараты серии, построен по документации и под наблюдением НПО им. Лавочкина на московском машиностроительном заводе «Вымпел».
Для уверенного приёма слабого реликтового излучения приёмное устройство должно быть вынесено как можно дальше от создаваемых Землёй и Луной тепловых помех, на расстояние порядка миллиона километров от Земли. Запуск спутника на требуемую для осуществления эксперимента «Реликт-1» орбиту связан со значительными трудностями, поскольку на таком удалении от Земли он испытывает соизмеримые воздействия от притяжения Земли, Луны и Солнца и, чтобы предотвратить его «захват» этими небесными телами, для «Прогноза-9» была рассчитана уникальная орбита с перигеем 361 км, апогеем км, наклонением 65,3° и периодом обращения 25,5 суток, на которой спутник, не имеющий корректирующего двигателя, мог существовать не менее года. «Прогноз-9» был запущен 1 июля 1983 года с космодрома «Байконур» носителем «Молния-М» c 4-й ступенью (разгонным блоком) «СО/Л». Кроме аппаратуры проекта «Реликт-1» на спутнике «Прогноз-9» были установлены приборы для исследования солнечной радиации, межпланетного пространства и дальнего космоса.
Радиометр «Реликт»
Для измерения фонового космического радиоизлучения на борту «Прогноза-9» был установлен радиометр «Р-08 Реликт», который можно назвать самым маленьким из выведенных в космос радиотелескопов. Его вес составлял 30 кг, а энергопотребление — 50 Вт. В состав прибора входили две рупорных антенны, высокочастотный параметрический усилитель, обеспечивающий высокую чувствительность прибора, детектор сигнала и антенный переключатель. Радиометр работал на единственной частоте 37 ГГц (длина волны 8 мм) и имел полосу пропускания 400 МГц. Среднеквадратичное значение собственного шума при накоплении в течение 1 секунды составляло 31 мK. Измерения вариаций фонового космического излучения производилось дифференциальным методом — радиометр имел две рупорных антенны, поочередно подключавшихся к входу прибора с частотой 1 кГц, измерялась разница температур излучения, принимаемого постоянно направленной в одну точку «референсной» антенной и «измерительной» антенной, сканирующей определённый участок видимой небесной сферы. Радиометр «Реликт» был установлен на борту спутника, имевшего постоянную солнечную ориентацию и стабилизированного вращением вокруг солнечной оси, таким образом, что «референсная» антенна с шириной диаграммы направленности 10° постоянно была направлена в сторону, противоположную Солнцу. «Измерительная» же антенна, с шириной диаграммы направленности 5,8°, направленная перпендикулярно «референсной», совершала полный оборот по небесной сфере за период вращения спутника вокруг его солнечной оси, составлявший примерно 2 минуты. Из-за орбитального движения Земли продольная ось спутника смещалась примерно на 1° в сутки относительно Солнца, поэтому раз в неделю проводилась переориентация спутника с поворотом его оси на 7°, после чего сканирование возобновлялось. Таким образом за полгода была просмотрена вся небесная сфера, некоторые её участки — дважды.
Результаты эксперимента Анализ данных, полученных в ходе эксперимента «Реликт-1», длился несколько лет с публикациями промежуточных результатов. В ходе работ была построена карта распределения реликтового излучения по небесной сфере, измерена обусловленная доплеровским сдвигом дипольная анизотропия реликтового излучения и вычислена скорость движения нашей Галактики относительно реликтового излучения. Анизотропия более высоких порядков оказалась ниже ожидаемой, что поставило под сомнение некоторые космологические теории и не позволило однозначно ответить на вопрос о наличии неравномерностей в фоновом космическом излучении. Была определена только верхняя граница возможной анизотропии. Статья с этими результатами была опубликована в 1987 году. Впоследствии модель радиотракта, использованная в обработке результатов, была скорректирована и после повторной обработки результатов ожидаемая анизотропия реликтового излучения была обнаружена на полученных картах небесной сферы. В течение года новые результаты проверялись и уточнялись. Интерпретация результатов эксперимента осложнялась тем, что измерения проводились только на одной частоте и были возможны различные объяснения полученной анизотропии, в то время как многочастотный эксперимент позволил бы сразу выяснить её природу. Сомнения в надёжности обнаружения анизотропии вызывала также низкая чувствительность прибора, хотя для своего времени она была непревзойдённой. В январе 1992 года на семинаре в ГАИШ МГУ был представлен доклад об открытии анизотропии реликтового излучения, в мае того же года опубликована статья в советском научном журнале и его версии на английском языке, а в сентябре — в английском научном журнале. В 2020 году за цикл работ, посвященных обнаружению анизотропии реликтового излучения на спутнике «Реликт», И. А. Струков, Д. П. Скулачёв и М. В. Сажин были удостоены премии имени И. С. Шкловского.
Неосуществлённый проект «Реликт-2»