2DARK天文志

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宇宙微波背景辐射的发现

宇宙微波背景辐射天空温度分布示意图

      宇宙微波背景辐射（Cosmic
Microwave
Background）的发现者是两位美国的工程师和射电天文学家——彭齐亚斯和威尔逊。当时他们都在美国新泽西州普林斯顿的贝尔电话实验室工作。

在卫星通讯过程中，接收到噪音本是一件普通的事情。但细心的他们发现工作过程中总是接收到一个温度大概相当于3
K的噪声，在排除了几乎其他所有的原因甚至把观测设备翻拆清理了好几次后，这个持续、均匀的噪声存在的原因依然无法得到解释。

当彭齐亚斯和威尔逊的发现发表后，天文学家们意识到这是一个在天文学历史上具有开创性意义的发现。早在20世纪40年代，伽莫夫等人就预言我们的宇宙空间应该存在残留的辐射，只是它们的温度经过宇宙学膨胀的影响已经变得相当地低了。而这些携来自古老宇宙的神秘光子，被两位细心的工程师观测到了。

微波背景辐射不仅仅被人们认为是20世纪60年代的天文学四大发现之一，而且被看做是20世纪天文学研究的重大成果。这些古老的光子携带了来自早期宇宙的宝贵信息，对宇宙学的研究具有非常深远的影响。后来人们又通过各种途径进一步对宇宙微波背景辐射进行观测（比如利用高空气球观测以及更著名的COBE卫星和WMAP卫星的观测），并将其辐射的温度修正为2.7K。

宇宙微波背景辐射的产生机制

我们来进一步看看宇宙微波背景辐射是怎么产生的，先简单地看一下我们的宇宙演化的历史。

在宇宙诞生前，没有时间也没有空间，更谈不上物质的存在，现在普遍认为我们的宇宙起源于时空中的一个点，这个体积无限小的点在经历了大爆炸（Big
Bang）后，诞生了我们的宇宙。这一“大爆炸”理论已有大量充分的证据并被科学界普遍接受。诞生不久的宇宙经历了量子涨落和短时间内的急剧膨胀，就好比一个没气的气球瞬间被吹到很大,这被称为宇宙的暴涨时期(Inflation）。在那之后，宇宙中产生了各种粒子，由于宇宙的高温高压，粒子处于电离状态，但随着宇宙的不断膨胀和温度的不断降低，重子物质从原来的电离状态变得中性。人们定义宇宙中电离粒子和中性粒子之数密度相等的时刻为宇宙的复合时期。(Recombination）因为早期宇宙的温度和粒子密度都很高，在炽热的等离子流体中，光子不断地和电子发生相互作用而无法自由地传播。随着宇宙的继续膨胀，宇宙的温度和粒子数密度都降低，光子和电子的碰撞次数不断减少，最终在一个时刻，宇宙的膨胀率变得大于光子的碰撞率，光子和电子达到了“退耦”(Decouple)的
阶段，光子摆脱了和电子间不断的相互作用，在宇宙空间开始自由地传播。而人们所观测到的宇宙微波背景辐射，就是这一最终光子的散射面。至于第一代恒星以及
星系等天体的形成，以及后来如何演化成为我们现在的宇宙，那些都是在形成光子的最终散射面之后所发生的事情了。我们可以从下图中更清晰地了解到这种演化过程：

宇宙演化和微波背景辐射（图片版权：NASA/WMAP
Science Team）

之前我们提到微波背景辐射温度的分布是“均匀”的。而实际上它的温度在天空中的分布并非是均匀各向同性的，而是存在各种原因造成的温度起伏。这种温度起伏以及其对天空各个方向的分布在COBE卫星和WMAP卫星上天之后得到了更详细的观测。

WMAP和COBE卫星

最初人们对宇宙微波背景辐射的测量是在山顶上进行的，但由于地球大气层的关系，很难进行良好的观测。于是人们提议发射卫星到安静的太空去观测。

1974年，马瑟等人提出了COBE项目。这一项目有两个主要的负责人，马瑟和斯穆特。虽然COBE项目的进行在美国的“挑战者”航天飞机失事后遇到了危难，但多亏了马瑟、斯穆特与同事们的高妙谈判技巧，COBE项目从危境中得到重生，终于在1989年11月18日成功发射。

上天后的COBE不久便测量得到了完美的黑体辐射光谱，它的波长对应于2.7K。

1992年，
COBE卫星终于首次探测到了微波背景辐射温度的温度起伏，这是一项划时代的发现。因为要在天空背景中排除其他的噪声来寻找十万分之几的的微小温度起伏，观测本身也是一项艰巨的任务。

COBE拍摄的全天微波背景辐射分布图

上图是宇宙的“婴儿”照。图中的色块分别意味着高温区（红色）和低温区（蓝色）。卵形的画面是全天的投影，就如同整个地球的世界地图被制作成卵形一样。

比起COBE的照片，之后发射的WMAP卫星所拍摄的照片有更高的分辨率。高分辨率的画面为解释宇宙的起源提供了更详细的线索。

WMAP拍摄的全天微波背景辐射分布图

在这张WMAP拍摄的全天微波背景辐射分布图中被探测到的微波背景辐射来自大爆炸后大约379000年的时间（13亿万年前），这好比一个八十岁老人婴儿时的照片。从图中我们还可以看出温度起伏对天空各个方向的分布并不是相同的（即存在各向异性）。

WMAP的数据为大爆炸和暴胀理论提供了有力的证明。这项研究的科学数据被存档在著名的Lambda网站上，网站的地址为：

http://lambda.gsfc.nasa.gov/

和WMAP观测数据一起放在这个网站上的还有有关WMAP观测结果的文献以及一些其他卫星的观测数据，比如COBE卫星和IRAS巡天的数据。

从该网站还可以找到分析宇宙微波背景辐射数据的软件包CAMB和CMBFAST，为了方便用户的使用，这两个软件包已经被做成在线计算的图形化界面。人们可以在窗口中选择不同的宇宙模型和基本参数，然后利用对方的服务器进行运算，运算的结果可以直接下载供进一步分析研究。

神秘的温度起伏

COBE卫星和WMAP卫星分别在不同的分辨率下探测到了宇宙微波背景辐射中极其微小的温度起伏，那么造成这些温度起伏的原因究竟又是什么呢？科学家们花费如此大的努力去探测这样的温度起伏又有什么意义呢？

宇宙起源的大爆炸理论为我们描绘了一幅由均匀的热汤状基本粒子构成的宇宙图画。不知怎地，从宇宙的起源到今天的这段时间里，引力已经把物质吸引到一起形成了一个高密度区域而后面留下空旷无垠的空间。是什么触发机制打破了这种均匀性而产生了结构的变化？

 天文学家们认为宇宙中结构形成的触发机制来源于早期宇宙密度分布极其微小的不均匀性，这种不均匀性是由宇宙暴涨时期的量子涨落演化而成。起初小到几乎和周围
背景密度几乎分不出差别的密度起伏成了后来宇宙结构形成的源动力：早期宇宙中有一些区域的密度比背景密度要高出少许，于是这些区域的引力也要比周围物质的
引力强一点，稍强一些的引力将周围的物质吸引过来，同时又增强了这些区域的引力，于是周围的物质继续向这一高密度区域塌缩……如此形成了我们目前宇宙中的
各种结构和天体。微波背景辐射中的温度起伏给了这种理论很好的证明：温度起伏是由于在光子和重子物质不断作用的时候，宇宙各个部分密度不一致造成的，较“热”的光子来自于早期宇宙稠密的区域。

此外，通过分析微波背景辐射温度的功率谱（简单地说，温度功率谱是通过某种手段对背景辐射温度起伏所做的不同尺度的分解），人们能够对各种宇宙学参数做出限制，比如宇宙中暗物质的含量，重子物质的含量、宇宙的曲率常数和暗能量的含量等。

温度起伏的各向异性造成了宇宙微波背景辐射的偏振现象，结合对偏振现象的研究，科学家门甚至能够检验宇宙暴涨时期和宇宙再电离时期的模型，并能够帮助寻找引力波。

虽然宇宙微波背景辐射中最主要的温度起伏是由早期宇宙密度的不均匀性造成的，但天文学家门观测到在这些主要的温度起伏上又叠加了很多由其他原因造成的更为微弱的起伏效应。其中比较著名的效应为SZ效应（Sunyaev-Zeldovich
effect）。

SZ效应原理图

      见图，SZ效应是因为宇宙微波背景辐射中的低能光子在经过热等离子体时受到激发而获得较高能量所造成的。图中左边所表示的光子为和星系团中的热等离子体作用前的光
子，右边为和热等离子体作用后的光子。光子和热等离子体中的电子发生康普顿散射而获得能量，从而产生了宇宙微波背景辐射中极其微小的次级温度起伏。

当我们探测到这些宇宙微波背景辐射中的次级效应及其形成原理后，我们又可以反过来推知形成这些效应的源的信息。比如在SZ效应中，科学家们可以利用次级起伏来推知热等离子体所在的星云或星系团的形状。