宇宙微波背景輻射和宇宙大爆炸之間有什么關(guān)系？

什么是宇宙微波背景輻射?它發(fā)生在大爆炸之后嗎?

——Sreehari, 9歲，印度喀拉拉邦人

宇宙微波背景(簡(jiǎn)稱CMB)是我們?cè)谡麄€(gè)宇宙中可以看到的最古老、最遙遠(yuǎn)的光，它來自宇宙誕生之初的大爆炸。然而，宇宙微波背景并不是由用肉眼能看見的光組成的，我們用肉眼能看到的光被稱為可見光，除此之外還有其他形式的光存在于宇宙中。微波是一種光，我們用來檢查骨折的x射線也是一種光，讓我們?cè)谲嚴(yán)锬苈牭揭魳返臒o(wú)線電波也是一種光。

起初，宇宙微波背景輻射是高能x射線。隨著時(shí)間的推移，這些高能射線的能量逐漸流散，變成了能量更低的微波。

普朗克望遠(yuǎn)鏡拍攝的宇宙微波背景輻射圖像。顏色表示宇宙微波背景中不同點(diǎn)的溫度。

歐空局，普朗克望遠(yuǎn)鏡，CC BY-SA

宇宙微波背景輻射是宇宙在誕生之初時(shí)發(fā)出的光。剛剛誕生的宇宙非常熱，同時(shí)密度很大，空間中充滿了電子和質(zhì)子。這些微觀粒子帶有電荷，當(dāng)光到達(dá)其中一個(gè)粒子時(shí)，粒子上所帶的電荷就會(huì)把光散射到另一個(gè)方向，這一現(xiàn)象使得宇宙誕生之初多產(chǎn)生光不能傳播很遠(yuǎn)。

冷卻

隨著時(shí)間的推移，宇宙在膨脹的過程中逐漸冷卻。最終，一旦宇宙的溫度變得足夠低，電子和質(zhì)子開始結(jié)合在一起，形成最簡(jiǎn)單的氫原子。原子不帶電荷，所以它們不會(huì)像電子和質(zhì)子那樣對(duì)光的傳播產(chǎn)生影響。光可以穿過它們，然后穿過宇宙，冷卻下來的宇宙對(duì)于誕生之初產(chǎn)生的光來說就好像是真空環(huán)境。

整個(gè)宇宙都以同樣的速度冷卻，這使得宇宙誕生所產(chǎn)生的光可以在空間中四處傳播。突然間，光可以在從宇宙的各個(gè)角落傳播得非常遠(yuǎn)、非常快，直到今天，這一過程仍未停止?，F(xiàn)在，這些光以宇宙微波背景輻射的形式到達(dá)了地球。

宇宙微波背景其實(shí)一直存在于宇宙中，但在宇宙中的第一個(gè)原子形成之前，宇宙微波背景輻射無(wú)法傳播太遠(yuǎn)。事實(shí)上，目前我們已經(jīng)知道它是在宇宙大爆炸38萬(wàn)年后被釋放出來的。這聽起來像是大爆炸和宇宙微波背景釋放之間經(jīng)過了很長(zhǎng)一段時(shí)間，但由于宇宙的年齡接近140億年，這發(fā)生在宇宙非常年輕的時(shí)候。宇宙微波背景告訴我們很多關(guān)于宇宙誕生之初的重要信息。根據(jù)大爆炸理論，早期的宇宙非常熱，充滿了輻射。隨著宇宙的膨脹和冷卻，這種輻射最終會(huì)被釋放出來。這就是我們現(xiàn)在看到的宇宙微波背景。甚至可以從宇宙微波背景中觀測(cè)到大爆炸理論所預(yù)測(cè)的溫度，這就是為什么我們可以說宇宙微波背景是驗(yàn)證大爆炸理論的重要證據(jù)。

偶然的發(fā)現(xiàn)

宇宙微波背景是偶然發(fā)現(xiàn)的。美國(guó)的兩位科學(xué)家Robert Wilson和Arno Penzias在使用微波望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)：無(wú)論他們把天線指向哪里，都能觀測(cè)到一個(gè)相同的背景信號(hào)。他們認(rèn)為這些多余的信號(hào)可能是由望遠(yuǎn)鏡的故障引起的，甚至可能是天線上的鴿子糞便影響到了觀測(cè)結(jié)果。

射電天文學(xué)家Robert Wilson和Arno Penzias發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景所用的15米霍姆德爾喇叭天線

美國(guó)，新澤西州，霍姆德爾貝爾電話實(shí)驗(yàn)室。

NASA通過維基共享

最終，Robert Wilson和Arno Penzias意識(shí)到自己是第一個(gè)探測(cè)到宇宙微波背景的人，而宇宙大爆炸理論預(yù)測(cè)了宇宙微波背景的存在。這一發(fā)現(xiàn)使二人獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

從那時(shí)起，研究人員向太空發(fā)射了許多望遠(yuǎn)鏡，以獲得越來越清晰的宇宙微波背景圖像。通過觀察這些宇宙中最古老的光，我們可以理解今天所看到的一切是如何形成的。

背景知識(shí)

在大爆炸宇宙學(xué)中，宇宙微波背景(CMB, CMBR)是一種電磁輻射，是宇宙早期的殘留物，也被稱為“遺跡輻射”。宇宙微波背景是充滿整個(gè)空間的微弱宇宙背景輻射。因?yàn)樗怯钪嬷凶罟爬系碾姶泡椛?，可以追溯到第一個(gè)原子形成時(shí)的重組時(shí)代，所以宇宙微波背景是人們研究早期宇宙的重要數(shù)據(jù)來源。用傳統(tǒng)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)，恒星和星系之間的空間(背景)是完全黑暗的(奧伯斯悖論)。

然而，一個(gè)足夠靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡所觀測(cè)到的微弱的背景亮度，或者稱為輝光，幾乎是均勻的，與任何恒星、星系或其他物體無(wú)關(guān)。這種輝光在無(wú)線電頻譜的微波區(qū)域最強(qiáng)。1965年，美國(guó)射電天文學(xué)家Arno Penzias和Robert Wilson在一次觀測(cè)中偶然發(fā)現(xiàn)了宇宙背景微波，這次偶然發(fā)現(xiàn)是他們從20世紀(jì)40年代開始的研究工作所獲得的最重要的發(fā)現(xiàn)，基于這一重要發(fā)現(xiàn)Arno Penzias和Robert Wilson獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

BY: Christopher Pattison

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