Естественным продолжением открытия стало тщательное исследование реликтового излучения с целью выделить из полученных данных спектр излучения, изучить его и сравнить с предсказываемой теорией кривой излучения черного тела. Поскольку предполагалось, что реликтовое фоновое излучение чернотельно, форма кривой, описывающей распределение его полной энергии по всему диапазону длин волн, теоретически хорошо известна. Для проверки теории чернотельности требовалось провести независимые измерения для различных длин волн. Настало время выйти за рамки простого обнаружения и измерения одной точки в данных по температуре, но получить большее число экспериментальных данных с использованием более сложных и точных приборов. Поскольку сама идея о том, что реликтовое излучение является реликтом Большого взрыва со спектром черного тела, приобрела к этому времени общее признание, ученые приступили также к детальным теоретическим расчетам. Новые измерения надежно подтвердили гипотезу Большого взрыва и позволили глубже понять начальный период развития Вселенной. Общая энергия реликтового излучения превышает энергию излучения всех галактик и составляет около 99 % всего излучения, содержащегося во Вселенной.
Несмотря на успехи в моделировании ранней Вселенной, главный вопрос, поставленный с самого начала Гамовым — каким образом возникли тяжелые химические элементы, — пока остается без ответа. Сегодня мы уже понимаем, что плотный огненный шар, возникший в момент творения, то есть Большой взрыв, породивший «суп» из вещества и излучения, стал охлаждаться сразу после начала расширения Вселенной. В эту эпоху излучение доминировало над материей, то есть количество фотонов существенно превосходило число любых других частиц. Первыми из кварков сформировались протоны и нейтроны, а затем в течение трех первых минут из этих нейтронов и протонов стали образовываться ядра гелия, дейтерия и лития. Поскольку такое слияние (нуклеосинтез) требует очень высоких температур и плотности вещества (именно это обстоятельство создает одно из главных препятствий для реализации описанного процесса в лабораторных условиях), Вселенная очень быстро охладилась. Охлаждение должно сразу остановить синтез любых более тяжелых химических элементов, вследствие чего в первичной Вселенной никак не мог образоваться ни один из существующих в природе элементов тяжелее лития, седьмого элемента периодической таблицы. Похоже, именно в этом состояло упущение в расчетах Гамова, Альфера и Германа, так как тяжелые элементы природы формировались вовсе не на ранней стадии возникновения Вселенной, когда она выглядела подобно огненному шару, а гораздо позже, причем внутри звезд, природных ядерных реакторов.
Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва положительно заряженные ядра атомов начали объединяться с электронами, образуя нейтральные атомы, что и позволило материи и излучению разделиться и существовать далее во Вселенной отдельно друг от друга. Физики называют это процессом разделения материи и излучения. Освободившись от давления, связанного с излучением, материя начала слипаться под действием сил гравитации, образуя звезды и галактики, которые мы видим сейчас. Излучение освободилось первым, что заметно на примере реликтового излучения. Это излучение заполняет всю Вселенную, и оно представляет собой снимок Вселенной спустя 380 000 лет после начала. Наблюдения спутника COBE подтвердили, что Вселенная к моменту этого разделения действительно была очень похожа на абсолютно черное тело. Точные измерения незначительных искажений реликтового излучения обеспечили поддержку теории о том, как формировались и развивались в нашей Вселенной галактики, заполненные темной материей. Поэтому измерения температуры реликтового излучения — на самом деле измерения вариаций на уровне ничтожных величин, порядка миллионных долей градуса, — содержат в себе запечатленную информацию обо всех галактиках и других структурах, которые оно прошло в своем путешествии к нам.
После публикации работы Пензиаса и Вильсона среди астрономов началась ожесточенная гонка измерений параметров реликтового излучения на других длинах волн для получения всей кривой излучения черного тела. В конце 1970-х гг. это направление стало считаться очень важной темой исследований, в результате чего многие специалисты различных организаций занялись запуском воздушных шаров с аппаратурой, предназначенной для измерения фонового излучения. Целью этих работ было получение данных о фоновом излучении, свободных от искажений, вызываемых атмосферой Земли. Например, группа исследователей из Беркли сконцентрировалась на измерении коротковолновых (2 мм и меньше) сигналов реликтового излучения, чтобы проверить, насколько точно кривая излучения совпадает со спектром абсолютно черного тела. Эксперименты с воздушными шарами понадобились для изучения спектра на некоторых сложных для измерения длинах волн. Используемая аппаратура была очень хрупкой, так как заполняемые гелием специальные шары изготовлялись из особо тонкого пластика, толщиной всего в несколько тысячных сантиметра (вследствие чего они легко рвались), а измеряющие детекторы прикреплялись снизу. Конечно, это еще не все. После всего электронные реле должны работать, а измерения необходимо передавать на землю для анализа. При этом возникло даже трансатлантическое соперничество, так как в Англии группа исследователей в Колледже королевы Марии также занималась измерениями с использованием радиометров, запускаемых при помощи воздушных шаров
[28].
Важнейшим инструментом, который стал катализатором в открытии реликтового излучения, стал радиометр, изобретенный Дикке. Основной принцип его работы заключается в том, что ток шума, создающий тепло в резисторе электрической цепи, сам является прямым показателем температуры резистора. Поместив такой прибор в замкнутую полость и выведя наружу улавливающую излучение антенну, можно создать высокочувствительный термометр. Эту «антенную» температуру можно легко измерять, просто следя за температурой резистора, к которому антенна присоединена{16}. Усовершенствованные варианты радиометра с 1946 г. получили широкое распространение благодаря возросшему после Второй мировой войны интересу к радиоустройствам. Именно такие радиометры были развернуты на воздушных шарах в исследованиях микроволнового космического излучения в 1960-х и 1970-х гг. Постепенно астрофизикам становилось ясно, что им необходимо зарегистрировать полный спектр излучения черного тела и что эту задачу удобнее решать в космосе, так как там отсутствуют помехи, связанные с прохождением излучения через атмосферу Земли. Подготовка к запуску спутника, специально спроектированного для регистрации реликтового излучения, началась с инициативы и соответствующего заявления НАСА, после чего в 1974 г. Мазер в числе других обратился с предложением о запуске спутника COBE. К этому времени у исследователей НАСА уже имелся опыт запуска и эксплуатации спутника Uhuru, предназначенного для проведения экспериментов с регистрацией в космосе рентгеновского излучения. Его миссия продолжалась с декабря 1970 г. до марта 1973 г. и вдохновила исследователей открыть еще одно «окно» в космос, на этот раз в области микроволнового диапазона.
