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美国彻底认识到一切，是从1944年左右开始的。1944年，“二战”接近尾声，法西斯的败局已定，美国的情报部门把注意力从欧洲移回了国内，开始彻底清查苏联在美国布下的谍报网。
这一行为的起因之一，是苏联驻加拿大领馆的一名叫伊戈尔·古曾科的谍报人员——当时苏联已经警觉到了美国的行为，进而开始全面撤回自己的谍报网，但是古曾科出于种种原因，希望留在西方世界。
要想留下，就要有“投名状”。古曾科供出了他所知道的苏联地下谍报网络，从而牵扯出了一名叫纳恩·梅的英国原子核物理专家——正是通过梅的帮助，苏联人知道“小男孩”是铀–235做的。
古曾科（左一）在加拿大报案
查到这一地步，加拿大就开始与美国和英国的情报部门合作了。通过和英国军情五处的合作，美国情报部门又挖出了一个人：英国的原子核物理博士克劳斯·福克斯。和从事原子核物理基础研究的纳恩·梅不一样，福克斯直接参与了“曼哈顿工程”。
通过福克斯这条线，联邦调查局又摸出了一名叫哈利·戈尔德的化学家。1950年5月22日，联邦调查局的探员们拘捕了戈尔德，随后发现了大量他从事间谍活动的证据。
戈尔德对自己所做的事供认不讳，还进一步透露：除了与福克斯联系外，他还曾奉命与一名25岁的美国士兵联系，和他一起去取一些原子能的材料。
按照戈尔德的描述，联邦调查员最终拘捕了一位叫戴维·格林格拉斯的美国士兵。格林格拉斯是艾瑟尔的弟弟，而艾瑟尔则是朱利叶斯的妻子。
一开始，格林格拉斯只是供认出了朱利叶斯，并没有说他的姐姐也参与其中（但后来在审判中，格林格拉斯说姐姐也参与了打印文件）。
于是，1950年，7月17日，朱利叶斯·罗森堡被捕；8月11日，艾瑟尔被捕。
但无论如何审问，罗森堡夫妇均宣称自己无罪。
