Το 1964, δύο ερευνητές των εργαστηρίων Bell στο Χόλμντελ του Νιου Τζέρσεϊ, ο Άρνο Πένζιας (Arno Penzias) και ο Ρόμπερτ Γουίλσον (Robert Wilson), προσπαθούσαν να εξηγήσουν έναν επίμονο ραδιοφωνικό θόρυβο που κατέγραφε μια μεγάλη κεραία. Είχαν ελέγξει τον εξοπλισμό τους, είχαν αποκλείσει γνωστές πηγές παρεμβολών, ακόμη και τα περιττώματα περιστεριών που είχαν φωλιάσει στο εσωτερικό της. Ο θόρυβος, όμως, παρέμενε.
Αυτό που αρχικά έμοιαζε με τεχνικό πρόβλημα αποδείχθηκε μία από τις σημαντικότερες ανακαλύψεις στην ιστορία της αστρονομίας: η κοσμική ακτινοβολία μικροκυμάτων υποβάθρου, το αποτύπωμα της θερμής και πυκνής πρώιμης φάσης του Σύμπαντος και μία από τις ισχυρότερες παρατηρησιακές ενδείξεις υπέρ της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης.
Μια κεραία που κατασκευάστηκε για δορυφορικές επικοινωνίες
Η ιστορία ξεκίνησε με μια εντυπωσιακή για την εποχή κατασκευή. Η μεγάλη κεραία τύπου χοάνης (horn-reflector antenna) των εργαστηρίων Bell κατασκευάστηκε το 1959, στην περιοχή Crawford Hill του Χόλμντελ, υπό τη διεύθυνση του μηχανικού Άρθουρ Κρόφορντ.
Είχε μήκος περίπου 15 μέτρα, άνοιγμα περίπου 6,1 μέτρα και βάρος περίπου 18 τόνους. Σχεδιάστηκε για τις ανάγκες του προγράμματος Echo της NASA, το οποίο χρησιμοποιούσε μεγάλους μεταλλικούς δορυφόρους-μπαλόνια ως παθητικούς ανακλαστήρες ραδιοκυμάτων. Τα σήματα εκπέμπονταν από έναν επίγειο σταθμό, ανακλώνταν στην επιφάνεια του δορυφόρου και επέστρεφαν σε άλλον σταθμό στη Γη.
Η κεραία χρησιμοποιήθηκε επίσης για το πρόγραμμα δορυφορικών επικοινωνιών Telstar. Όταν η εμπορική χρήση της περιορίστηκε, έγινε διαθέσιμη για επιστημονικές παρατηρήσεις.
Οι Πένζιας και Γουίλσον αποφάσισαν να την αξιοποιήσουν για τη μελέτη ραδιοκυμάτων από αστρονομικές πηγές, μεταξύ των οποίων ο Γαλαξίας μας. Για τον σκοπό αυτό κατασκεύασαν και ρύθμισαν ένα εξαιρετικά ευαίσθητο σύστημα μέτρησης, χρησιμοποιώντας ως σημείο αναφοράς μια πηγή θορύβου ψυχόμενη με υγρό ήλιο.
Όταν άρχισαν τις παρατηρήσεις, διαπίστωσαν ότι η κεραία κατέγραφε ένα ανεξήγητο σήμα μικροκυμάτων, το οποίο εμφανιζόταν από όλες τις κατευθύνσεις του ουρανού. Δεν εξαφανιζόταν ούτε με την αλλαγή της κατεύθυνσης της κεραίας ούτε με την εναλλαγή ημέρας και νύχτας.
Τα περιστέρια που δεν ήταν η αιτία
Οι δύο ερευνητές πέρασαν αρκετούς μήνες προσπαθώντας να εντοπίσουν την προέλευση του ανεπιθύμητου σήματος. Έλεγξαν τα ηλεκτρονικά κυκλώματα, τις απώλειες του εξοπλισμού, την επίδραση της ατμόσφαιρας και πιθανές παρεμβολές από το έδαφος ή άλλες ραδιοπηγές.
Στην πορεία ανακάλυψαν ότι δύο περιστέρια είχαν εγκατασταθεί στο εσωτερικό της κεραίας. Τα πουλιά απομακρύνθηκαν και οι επιστήμονες καθάρισαν τα περιττώματά τους, ελπίζοντας ότι θα απαλλάσσονταν επιτέλους από την παρεμβολή.
Το αποτέλεσμα, ωστόσο, δεν άλλαξε. Ο ανεξήγητος θόρυβος εξακολουθούσε να καταγράφεται.
Η ιστορία των περιστεριών έγινε μία από τις πιο γνωστές λεπτομέρειες της ανακάλυψης. Το Smithsonian έχει διατηρήσει μάλιστα μία από τις παγίδες που χρησιμοποιήθηκαν για την απομάκρυνσή τους, ως μέρος της ιστορίας του επιστημονικού επιτεύγματος.
Οι έλεγχοι των δύο επιστημόνων έδειξαν τελικά ότι το σήμα δεν μπορούσε να αποδοθεί σε γνωστές επίγειες, ατμοσφαιρικές ή αστρονομικές πηγές.
Η ανεξήγητη ακτινοβολία των 3,5 βαθμών Κέλβιν
Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στη συχνότητα των 4.080 μεγακύκλων ανά δευτερόλεπτο, δηλαδή περίπου 4,08 GHz, που αντιστοιχεί σε μήκος κύματος περίπου 7,35 εκατοστών.
Στην αρχική επιστημονική δημοσίευσή τους, οι Πένζιας και Γουίλσον ανέφεραν ότι η συνολική θερμοκρασία θορύβου της κεραίας στο ζενίθ ήταν 6,7 K. Από αυτήν αφαιρέθηκαν οι γνωστές συνεισφορές, όπως η απορρόφηση από την ατμόσφαιρα, οι απώλειες του εξοπλισμού και η απόκριση της κεραίας προς το έδαφος.
Μετά τους υπολογισμούς παρέμενε μια ανεξήγητη περίσσεια θερμοκρασίας περίπου 3,5 K, με εκτιμώμενο σφάλμα ±1 K.
Το σημαντικότερο ήταν ότι αυτή η ακτινοβολία εμφανιζόταν σχεδόν ομοιόμορφα σε όλες τις κατευθύνσεις του ουρανού, ήταν μη πολωμένη και δεν παρουσίαζε εποχικές μεταβολές στις παρατηρήσεις από τον Ιούλιο του 1964 έως τον Απρίλιο του 1965.
Οι δύο επιστήμονες είχαν μπροστά τους ένα φαινόμενο που δεν μπορούσαν να εξηγήσουν με τις μέχρι τότε γνωστές πηγές ραδιοκυμάτων.
Η απάντηση βρισκόταν στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον
Την ίδια περίοδο, μια άλλη επιστημονική ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον μελετούσε θεωρητικά την πιθανότητα ύπαρξης μιας ακτινοβολίας που θα είχε απομείνει από την πρώιμη, εξαιρετικά θερμή φάση του Σύμπαντος.
Η ομάδα αποτελούνταν από τον φυσικό Ρόμπερτ Ντίκι (Robert Dicke), τον θεωρητικό φυσικό Τζέιμς Πίμπλς (James Peebles) και τους συνεργάτες τους Πίτερ Ρολ (Peter Roll) και Ντέιβιντ Γουίλκινσον (David Wilkinson).
Ο Πίμπλς είχε επεξεργαστεί θεωρητικά την πιθανότητα να υπάρχει σήμερα ένα υπόλειμμα της αρχέγονης θερμικής ακτινοβολίας του Σύμπαντος, το οποίο θα είχε ψυχθεί καθώς το Σύμπαν διαστελλόταν.
Ο Πένζιας πληροφορήθηκε για τη σχετική εργασία μέσω του συναδέλφου του Μπέρναρντ Μπερκ (Bernard Burke). Στη συνέχεια επικοινώνησε με τον Ρόμπερτ Ντίκι και ενημερώθηκε για τη θεωρητική έρευνα της ομάδας του Πρίνστον.
Όταν ο Ντίκι πληροφορήθηκε τις μετρήσεις των εργαστηρίων Bell, αντιλήφθηκε αμέσως τη σημασία τους. Σύμφωνα με την ιστορική αφήγηση, στράφηκε στους συνεργάτες του και σχολίασε ότι μόλις είχαν εντοπίσει αυτό που αναζητούσαν.
Οι δύο επιστημονικές ομάδες ήρθαν σε επικοινωνία και συμφώνησαν να δημοσιεύσουν τα ευρήματά τους στο ίδιο τεύχος του επιστημονικού περιοδικού The Astrophysical Journal.
Δύο δημοσιεύσεις που άλλαξαν την κοσμολογία
Τον Ιούλιο του 1965 δημοσιεύτηκαν δύο εργασίες που συμπλήρωναν η μία την άλλη.
Η πρώτη, με τίτλο Cosmic Black-Body Radiation, υπογραφόταν από τους Ρόμπερτ Ντίκι, Τζέιμς Πίμπλς, Πίτερ Ρολ και Ντέιβιντ Γουίλκινσον. Παρουσίαζε τη θεωρητική ερμηνεία της ακτινοβολίας ως θερμικού υπολείμματος από την πρώιμη ιστορία του Σύμπαντος.
Η δεύτερη, με τίτλο A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s, υπογραφόταν από τους Άρνο Πένζιας και Ρόμπερτ Γουίλσον. Κατέγραφε τις παρατηρήσεις και την ανεξήγητη περίσσεια θερμοκρασίας των 3,5 K.
Οι Πένζιας και Γουίλσον δεν ισχυρίστηκαν ότι είχαν οι ίδιοι αποδείξει τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης. Παρουσίασαν τα πειραματικά δεδομένα, ενώ η ομάδα του Πρίνστον έδωσε τη θεωρητική ερμηνεία τους.
Η ανακάλυψη της κοσμικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων υποβάθρου αποτέλεσε καθοριστικό σταθμό στην κοσμολογία, καθώς προσέφερε ισχυρή παρατηρησιακή υποστήριξη στο μοντέλο ενός Σύμπαντος που ξεκίνησε από μια εξαιρετικά θερμή και πυκνή κατάσταση και έκτοτε διαστέλλεται.
Το Νόμπελ Φυσικής και η δικαίωση της ανακάλυψης
Το 1978, δεκατρία χρόνια μετά τη δημοσίευση των αποτελεσμάτων, οι Άρνο Πένζιας και Ρόμπερτ Γουίλσον τιμήθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής για την ανακάλυψη της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου.
Το βραβείο μοιράστηκε με τον φυσικό Πιοτρ Καπίτσα (Pyotr Kapitsa), ο οποίος τιμήθηκε για τις θεμελιώδεις εφευρέσεις και ανακαλύψεις του στον τομέα της φυσικής των χαμηλών θερμοκρασιών. Η βράβευσή του αφορούσε διαφορετική επιστημονική εργασία και δεν συνδεόταν με την ανακάλυψη της κοσμικής ακτινοβολίας.
Ο Τζέιμς Πίμπλς τιμήθηκε αργότερα, το 2019, με το Νόμπελ Φυσικής για τις θεωρητικές ανακαλύψεις του στη φυσική κοσμολογία και τη συμβολή του στην κατανόηση της εξέλιξης του Σύμπαντος.
Από έναν ανεξήγητο θόρυβο σε ένα παράθυρο προς το πρώιμο Σύμπαν
Σήμερα, η κοσμική ακτινοβολία μικροκυμάτων υποβάθρου αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα εργαλεία της σύγχρονης κοσμολογίας. Είναι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που απελευθερώθηκε όταν το Σύμπαν είχε ηλικία περίπου 380.000 ετών, όταν η θερμοκρασία του είχε μειωθεί αρκετά ώστε τα φωτόνια να μπορούν να ταξιδεύουν ελεύθερα στο διάστημα.
Καθώς το Σύμπαν διαστελλόταν, το μήκος κύματος αυτής της ακτινοβολίας αυξανόταν και η θερμοκρασία της μειωνόταν. Σήμερα η ακτινοβολία υποβάθρου έχει θερμοκρασία περίπου 2,725 K, δηλαδή μόλις λίγους βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν.
Οι μεταγενέστερες διαστημικές αποστολές COBE, WMAP και Planck μελέτησαν με ολοένα μεγαλύτερη ακρίβεια αυτή την ακτινοβολία και τις ανεπαίσθητες θερμοκρασιακές διακυμάνσεις της, προσφέροντας πολύτιμες πληροφορίες για την ηλικία, τη σύνθεση και την εξέλιξη του Σύμπαντος.
Η ανακάλυψη των Πένζιας και Γουίλσον παραμένει ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα του πώς μια απρόσμενη παρατήρηση μπορεί να οδηγήσει σε μια επιστημονική επανάσταση. Ένας ανεξήγητος θόρυβος σε μια κεραία, δύο περιστέρια και η επιμονή δύο ερευνητών συνέβαλαν στην αποκάλυψη ενός από τα σημαντικότερα ίχνη της γέννησης του Σύμπαντος.
