宇宙背景辐射：揭开宇宙诞生的微波密码

宇宙背景辐射：揭开宇宙诞生的微波密码

当你用微波炉加热食物的时候，你其实也在接收来自宇宙的微波信号。这些微波信号是什么？它们又能告诉我们什么？今天，我们就来聊聊宇宙背景辐射，这个揭开宇宙诞生的微波密码。

什么是宇宙背景辐射？

宇宙背景辐射（Cosmic Microwave Background，简称CMB），又称3K背景辐射，是宇宙学中“大爆炸”遗留下来的热辐射。它是一种充满整个宇宙的电磁辐射，特征和绝对温标2.725K的黑体辐射相同，频率属于微波范围。它是宇宙中最古老的光，可追溯至再复合时期，也就是宇宙诞生后约38万年的时候。它是观测宇宙学的基础，也是大爆炸理论的重要证据。

宇宙背景辐射是怎么形成的？

根据大爆炸理论，早期的宇宙非常热，充满了辐射和物质。随着宇宙的膨胀和冷却，这些辐射和物质的能量密度逐渐降低，直到达到一个临界点，使得电子和质子能够结合形成中性的氢原子。这个过程叫做复合，发生在宇宙诞生后约38万年，当时的宇宙温度约为3000K。在这一点上，光子不再和已是电中性的原子相互作用，并开始自由地在空间中传播，导致物质和辐射脱耦。这些脱耦的光子就是我们现在看到的宇宙背景辐射。由于宇宙的膨胀，宇宙背景辐射的光子被红移了，使得辐射的温度随着时间下降，如今降至2.725K。

宇宙背景辐射有什么特点？

宇宙背景辐射有以下几个特点：

1. 它是一种黑体辐射，也就是说，它的能谱符合普朗克定律，只和温度有关，与其他因素无关。它是最精确测量的黑体辐射，其偏离程度小于0.005%。
2. 它是一种各向同性的辐射，也就是说，它在不同的方向上具有相同的强度和温度，与任何恒星、星系或其他天体都没有关系。它反映了宇宙在大尺度上的均匀性和同质性。
3. 它是一种有微小涨落的辐射，也就是说，它在不同的方向上有微小的温度差异，约为0.001%。这些温度差异反映了宇宙在小尺度上的不均匀性和结构性，是未来恒星和星系形成的种子。

宇宙背景辐射能告诉我们什么？

宇宙背景辐射是宇宙学家的宝贵财富，它能告诉我们许多关于宇宙的信息，例如：

1. 宇宙的年龄：通过测量宇宙背景辐射的温度和红移，我们可以推算出宇宙的年龄，目前的最佳估计是137.9亿年。
2. 宇宙的几何：通过测量宇宙背景辐射的角功率谱，我们可以推断出宇宙的几何形状，目前的最佳结果是宇宙是平坦的，也就是说，宇宙的总密度等于临界密度。
3. 宇宙的成分：通过测量宇宙背景辐射的声学振荡，我们可以推测出宇宙的成分，目前的最佳结果是宇宙由4.9%的普通物质，26.8%的暗物质和68.3%的暗能量组成。
4. 宇宙的历史：通过测量宇宙背景辐射的偏振，我们可以探测到宇宙的早期历史，例如宇宙的暴涨、再电离和引力波等现象。

宇宙背景辐射是怎么被发现的？

宇宙背景辐射是一个偶然的发现。1964年，美国的两位射电天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊使用微波望远镜，无论他们把天线指向哪里，都能看到相同的信号。他们认为这些信号可能是由望远镜的故障引起的，甚至是由天线上的鸽子粪便引起的。他们试图清理和修理望远镜，但信号仍然存在。后来，他们意识到这些信号可能是来自宇宙的微波辐射，与苏联的泽尔多维奇和美国的迪克等人的理论预测相符。他们的发现震惊了天文界，也为大爆炸理论提供了有力的证据。他们因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

宇宙背景辐射有什么研究进展？

宇宙微波背景辐射的研究从未停止过，随着技术的进步，我们对宇宙微波背景辐射的观测和理解也不断提高。以下是一些重要的研究进展：

1. 1989年，美国国家航空航天局发射了宇宙背景探测者（COBE）卫星，它是第一个专门观测宇宙微波背景辐射的卫星，它精确地测量了宇宙微波背景辐射的黑体辐射光谱，也首次发现了宇宙微波背景辐射的温度涨落。
2. 2001年，美国国家航空航天局发射了威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）卫星，它是第二代观测宇宙微波背景辐射的卫星，它以更高的分辨率和灵敏度测量了宇宙微波背景辐射的角功率谱，也给出了宇宙的年龄、几何、成分和历史等重要参数。
3. 2009年，欧洲空间局发射了普朗克卫星，它是第三代观测宇宙微波背景辐射的卫星，它以更高的频率和更低的噪声测量了宇宙微波背景辐射的全天图像和偏振，也揭示了宇宙微波背景辐射的异常和暗能量的性质等前沿问题。
4. 2014年，BICEP2实验宣布首次检测到宇宙暴涨产生的引力波在宇宙微波背景辐射中的B模偏振信号，这是一个具有历史意义的发现，但后来被证明是由银河系的尘埃污染造成的假信号。
5. 2021年，LiteBIRD卫星获得了日本政府的正式批准，它是第四代观测宇宙微波背景辐射的卫星，它的目标是精确测量宇宙微波背景辐射的偏振，尤其是B模偏振，以寻找宇宙暴涨的证据和探索宇宙的起源和命运。

宇宙微波背景辐射是怎么被观测的？

宇宙微波背景辐射是一种非常微弱的信号，要观测它，需要使用特殊的仪器和技术。有三种主要的观测平台：地面、气球和卫星。

1. 地面：地面的观测受到大气的干扰和限制，只能观测到一部分的频率和天区。但是，地面的观测也有其优势，比如成本低、更新快、灵活性高等。一些著名的地面观测实验有DASI、CBI、VSA、ACBAR、QUaD、SPT、ACT等。
2. 气球：气球的观测可以避开大气的大部分影响，观测到更高的频率和更大的天区。但是，气球的观测也有其局限，比如飞行时间短、重复性差、稳定性差等。一些著名的气球观测实验有BOOMERanG、MAXIMA、Archeops、EBEX、SPIDER等。
3. 卫星：卫星的观测可以完全摆脱大气的干扰，观测到全天的频率和天区。但是，卫星的观测也有其挑战，比如成本高、制造难、维护难等。一些著名的卫星观测实验有COBE、WMAP、Planck、LiteBIRD等。

宇宙微波背景辐射有什么奇妙的现象？

宇宙微波背景辐射虽然看起来很平淡，但是其中隐藏着许多奇妙的现象，例如：

1. 宇宙微波背景辐射的偶极：这是由于我们相对于宇宙的运动造成的，我们可以通过测量宇宙微波背景辐射的偶极，推断出我们在宇宙中的速度和方向。目前的结果是，我们以约371 km/s的速度朝向狮子座移动。
2. 宇宙微波背景辐射的四极：这是由于我们所处的太阳系相对于银河系的运动造成的，我们可以通过测量宇宙微波背景辐射的四极，推断出我们在银河系中的位置和方向。目前的结果是，我们在银河系的北极附近，距离银河系中心约2.6万光年。
3. 宇宙微波背景辐射的六极：这是由于我们所处的银河系相对于其他星系的运动造成的，我们可以通过测量宇宙微波背景辐射的六极，推断出我们在宇宙中的位置和方向。目前的结果是，我们在一个叫做本星系超星系的大型星系团中，距离宇宙中心约4.5亿光年。
4. 宇宙微波背景辐射的异常：这是指一些与标准宇宙模型不符的现象，例如冷斑、低多极矩、赝四极、赝八极、赝十六极、赝三十二极、赝六十四极等。这些异常可能是由于仪器的误差、前景的污染、统计的偶然或宇宙的新物理造成的，目前还没有定论。

总结

宇宙微波背景辐射是一种令人着迷和惊奇的信号，它是宇宙学中“大爆炸”遗留下来的热辐射。它是宇宙中最古老的光，可追溯至宇宙诞生后约38万年的时候。它是观测宇宙学的基础，也是大爆炸理论的重要证据。