12.宇宙微波背景辐射

定 义：弥漫天空的低频辐射，是大爆炸理论至关重要的证据。

发现历史：1964年，阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）与罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）首次发现了宇宙微波背景辐射（CMBR）。

关键突破：从1989年到1992年，宇宙背景探测卫星（COBE）探测了微波背景辐射，发现了背景辐射的涨落与宇宙大尺度结构形成之间的联系。

重要意义：宇宙微波背景辐射给我们提供了有关大爆炸发生后瞬间状态的信息。

 

一种充斥全宇宙的微弱辐射为大爆炸理论提供了最强有力的证据。天文学家如今发现，这种背景辐射可以作为探索早期宇宙性质的有力工具。

发现宇宙微波背景辐射的过程是天文学史中最著名的故事之一：1964年，就职于新泽西州贝尔实验室（Bell Labs，New Jersey）的两位物理学家阿尔诺·彭齐亚斯与罗伯特·威尔逊正在测试最新的高灵敏喇叭天线以便进行射电天文学观测。他们发现天线系统中总是存在着一个微弱又不间断的背景噪声。在分析完所有可能的射电噪声来源（包括鸽子粪便中的射电辐射）后，彭齐亚斯和威尔逊认为这种背景信号是自然界产生的，并且遍布天空的各个角落。

尽管这两位射电天文学家不知道他们发现了什么，然而宇宙学家已经预言了，这种信号可作为大爆炸理论的自然推论。当时的宇宙被加热到难以想象的高温且体积仅为一个小点。经过百亿年后，这种辐射的残余应当来自天空中的每个角落——在最遥远恒星与星系之外的可观测宇宙最边缘处，依然存在背景辐射。彭齐亚斯和威尔逊的发现结果很快传到了普林斯顿大学的物理学家罗伯特·迪克（Robert Dicke）耳中，迪克证实了这正是他长久以来追寻的辐射。

宇宙微波背景辐射在微波波段内，其辐射温度为–270.4 ℃（-454.4℉），仅仅比理论上最低温度极限的绝对零度高了2.73 ℃（4.9℉）。由于背景辐射发射源几乎是以光速远离地球的，在背景辐射向地球传播的途中，多普勒效应产生的强烈红移使得辐射波长变长，造成了这种明显的低温。背景辐射来自宇宙中的“临界最后散射面”——也就是宇宙大爆炸40万年后，宇宙变得透明的那一时刻，因此这形成了一道阻碍我们看到宇宙诞生时刻景象的“墙”（理论上使用其他办法是可以看到的）（译注：探测原初引力波在微波背景辐射中留下的扰动可以让我们了解宇宙诞生极早期的景象）。

这张来自COBE卫星的标志性图片首次揭示了宇宙微波背景辐射的涨落与诸如超星系团这样的宇宙大尺度结构有关。

时间的“皱纹”

宇宙微波背景辐射的发现是宇宙大爆炸理论的巨大胜利，但也为天文学家带来了一个新问题。天空中的宇宙背景辐射看起来十分均匀和光滑。如果我们认为大爆炸后的辐射压能使亚原子粒子的分布在膨胀中保持均匀，那么这种均匀性就是成立的了；然而光滑的背景辐射说明我们的宇宙早期应当是均匀的，这与如今宇宙在众多尺度上都存在不均匀性的事实是矛盾的。我们宇宙中的星系在巨大的空洞周围形成片状与细丝状结构的星系团和超星系团处聚集。如果早期宇宙是绝对光滑的，那么宇宙中的物质就几乎不可能在百亿年内迅速地在百亿光年的范围中形成如今这般大尺度结构。

为了回答这个问题，NASA于1989年发射了COBE卫星。COBE卫星装备了一个微小但极为灵敏的微波望远镜，被设计用来在数年内从大气层以外描绘出整个天空的微波成像。

1992年，探测卫星发布的结果占据了全世界的头条，这些结果回答了一些问题，但也提出了一些新问题。从COBE卫星传回的图像看来，宇宙微波背景辐射并不均匀。相反，背景辐射满布的涟漪意味着其上的温度差异（或者称为各向异性）仅是平均温度的十万分之几。加州大学伯克利分校的主要研究者乔治·斯穆特（George Smoot）与NASA戈达德空间发射中心（Goddard Space Flight Center）的约翰·马瑟（John Mather）共同发现了斯穆特所说的“时间的皱纹”，即背景辐射的非各向同性，从而获得诺贝尔物理学奖。这种温度的差异虽然微小，但是足以表明早期的宇宙并非均匀的——稍热的区域表明物质密集，稍冷的区域物质相对稀疏。这些涨落就是形成如今的超星系团、细丝与空洞的种子，从宇宙的最早期就嵌入其中，然而是什么造成了这些涨落？如果新生宇宙中强烈的辐射使得普通物质不能成团，那么只有一个答案——必定是暗物质形成了较为密集的区域，造成了物质分布不均匀。我们知之甚少的暗物质不与辐射发生作用，因此在宇宙早期就开始坍塌形成不均匀的团块。当宇宙背景辐射形成之后，正常物质就会开始聚集在已经形成的暗物质密度较高的区域。

“光滑的背景辐射说明我们的宇宙应当是均匀的，但这与如今宇宙在众多尺度上都存在不均匀性的事实是矛盾的。”

WMAP及后任者

在COBE卫星获得成功的几年后，一些地基望远镜和高空气球实验更精细地探测了一些小块天区的宇宙微波背景辐射。2001年，NASA更是雄心勃勃地发射了一颗卫星——威尔金森微波各向异性探测器。WMAP的运行时间超过7年，其间以高分辨率和高灵敏度测量了宇宙微波背景辐射的涨落。WMAP团队将卫星测量结果运用在当前公认的宇宙演化模型中，确定了早期宇宙与当前宇宙一系列重要的性质。

WMAP测量的宇宙膨胀速度与哈勃空间望远镜得到的结果相吻合，并且其确定了宇宙的年龄约为137.5亿年。此外，WMAP还确定当今宇宙的成分中，4.6%为普通物质，22.8%为暗物质，72.6%为暗能量。但在宇宙微波背景辐射发出的时刻，宇宙中22%是正常物质（包括占10%的中微子），15%是电磁辐射，63%是暗物质，而暗能量所占的比例还微不足道。

2009年，欧空局发射了普朗克望远镜，旨在获得分辨率更高的宇宙微波背景辐射图像。宇宙学家们期望在接下来的几年内，普朗克望远镜的观测结果能让人类进一步精确对于早期宇宙的理解。

宇宙起源于快速膨胀的大爆炸火球的证据如今已铺天盖地。人们认为大爆炸不仅创造了物质和能量，还创造了空间本身。