创世第一缕曙光——宇宙微波背景辐射

作者|吴霞辉
审核|郑成卓

编辑|席宇博

“宇宙微波背景是我们宇宙中最古老的光,当宇宙刚刚38万岁时出现宇宙中。它显示出微小的温度涨落,对应着局部密度的细微差异,代表所有未来的宇宙结构,是当今的恒星与星系的种子”

——Enßlin, Dr. Torsten

 

啊?宇宙微波背景辐射

小星之前已介绍过,宇宙大爆炸理论预言了宇宙微波背景辐射的存在。根据大爆炸理论,在大爆炸之初尚未形成恒星与星系,宇宙中充斥着致密、高温的氢等离子体以及辐射,处于完全的热平衡态,并伴随着光子的不断吸收和发射。随着宇宙不断膨胀、冷却,离子和电子几乎在瞬间复合成中性粒子,从此光子开始在宇宙中畅通无阻,而不是不断被等离子体散射。这一事件称为“光子退耦”,宇宙在这一刻变得透明,此时宇宙的年龄是38万岁。

宇宙演化(图片来源于NASA)

从混沌中走出来的光子,带着创世的信息,一直穿行在宇宙中,直到撞上人类的探测器,发出辐射,这种辐射就是“宇宙微波背景辐射”,也称3K背景辐射,是来自宇宙空间背景上的各向同性或者黑体形式和各向异性的微波辐射,就像大爆炸的遗产,所以又被称为“遗留辐射”。它的发现出于偶然。

1964年,美国贝尔实验室的工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊架设了一台喇叭形状的天线,用以接受卫星信号,后又用以研究银河系的性质。他们发现无论天线朝向哪个方向,在波长为7.35cm的地方一直有一个各向同性的信号,这个信号没有随昼夜和季节变化,可以判定与地球的公转和自转无关,因而他们怀疑这个信号来源于地面的干扰或者天线系统本身。

彭齐亚斯和威尔逊发现背景辐射的喇叭形天线(图片来源于NASA)

1965年初,他们对天线进行了彻底检查,甚至重新组装,清理了天线上的鸟粪,然而噪声仍然存在。最后他们不得不得出结论:这些噪声来自天空。他们在Astrophysical Journal(简称ApJ,《天体物理学报》)上以《在4080兆赫上额外天线温度的测量》为题发表论文正式宣布了这个发现。后来他们在朋友的介绍下,了解到美国物理学家罗伯特·迪克领导的一个小组正在研究宇宙起源,这才意识到他们可能发现了宇宙早期遗留下来的热辐射。不久迪克等人在ApJ上发表了论文《宇宙黑体辐射》,对威尔逊和彭齐亚斯的发现给出了正确的解释——这个额外的辐射就是宇宙微波背景辐射。

彭齐亚斯(左)与威尔逊(右)(图片来源于网络)

宇宙微波背景辐射的发现在现代天文学史上具有非常重要的意义,它为大爆炸理论提供了有力的证据,与类星体、脉冲星和星际有机分子称为20世纪60年代天文学四大发现。而它的发现者——威尔逊和彭齐亚斯也因此获得了1978年诺贝尔物理学奖,2019年的诺贝尔物理学奖授予加拿大裔美国天文学家菲利普·詹姆斯·埃德温·皮伯斯,表彰其在宇宙物理学上的突出贡献,而皮伯斯在此领域的重大贡献之一便是与迪克等人共同解释了威尔逊与彭齐亚斯的发现。

詹姆斯·皮伯斯(图片来源于诺贝尔奖官网)

微波背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射谱,在0.3-75厘米波段,可以在地面上直接观测到;在大于100厘米的射电波段,银河系本身的超高频辐射掩盖了来自河外空间的辐射,因而不能直接测量;在小于0.3厘米波段,由于地球大气辐射的干扰,要使用热气球、火箭或卫星等空间探测手段才能测量。

根据宇宙背景探测者(COBE)数据绘制的宇宙微波背景辐射光谱(图片来源于维基百科)

2013年3月21日欧洲航天局公布了根据普朗克卫星在前15个半月内传回的数据绘制的宇宙微波背景辐射图,比美国航天局此前发射的宇宙背景探索者(COBE)卫星和威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)探测到的微波背景辐射更为精细,这是迄今最精确的反映宇宙诞生初期情形的全景图,它几乎完美地验证了宇宙标准模型。

普朗克卫星绘制的最新最高分辨率宇宙微波背景辐射图(图片来源:ESA/NASA/JPL-Calteck)

原来如此!懂了

参考资料

1、^ Enßlin, Dr. Torsten,Planck reveals an almost perfect Universe,马克斯·普朗克研究所(Max Planck Gesellschaft), https://www.mpg.de/7044245/

2.、Mather, John C., et al. ,Measurement of the cosmic microwave background spectrum by the COBE FIRAS instrument, The Astrophysical Journa,l 420 (1994): 439-444

3、宇宙微波背景辐射:创世第一缕曙光,科普中国,http://www.kepu.net.cn/gb/ydrhcz/ydrhcz_wap/ydrhcz_wap_zpzs/201902/t20190225_32216.html?from=singlemessage

4、 The Planck space observatory is integrated on Ariane 5 for Arianespace’s upcoming launch,阿丽亚娜空间公司(Arianespace),https://www.arianespace.com/mission-update/the-planck-space-observatory-is-integrated-on-ariane-5-for-arianespaces-upcoming-launch/

5、宇宙微波背景,维基百科,https://zh.m.wikipedia.org/zh-cn/%E5%AE%87%E5%AE%99%E5%BE%AE%E6%B3%A2%E8%83%8C%E6%99%AF

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