什么是微波背景辐射？从中可以读出哪些宇宙的信息？
李论科学2019-09-22 17:25
“大爆炸留下的辐射和你家里微波炉里的辐射是一样的，但是威力要小得多。它只会将你的披萨加热到零下271.3摄氏度，对披萨的除霜效果并不好，更不用说烹饪了。”——史蒂芬·霍金
大爆炸模型最有力的预测就是：我们寒冷、充满恒星和星系并且正在膨胀的宇宙来自高温、致密、均匀的状态，那么宇宙早期残余的辐射应该大量存在，即使在今天也应该可以检测到。因此微波辐射是宇宙标准模型的预测结果！
什么是微波辐射？及其来源
当我们回到宇宙38万岁的时候，此时的宇宙由于温度太高不能形成中性原子，光子就会于其他带电粒子相互膨胀，而且频率很高，所以这时的光子并不能自由传播。与光子碰撞的粒子大多是电子，偶尔也会与原子核发生碰撞。
当宇宙最终冷却到允许中性原子的形成的时候，绝大多数光子将不再与另一个原子、原子核或电子相互作用，这时的光子会沿着最后的方向直线传播。此时宇宙发出的光，会带着大量的有关早期宇宙的信息，经过138亿年的旅程到达我们地球。这就是微波辐射的来源。
宇宙微波辐射是一个相当大的预测，在早期宇宙的任何地方都处于高温、密集、膨胀的状态，这就说明我们应该能从宇宙各个方向看到均匀传播而来的辐射。
而且，现在的宇宙不再只有38万年的历史，而是经历了138亿年，这意味着宇宙空间已经膨胀了很多。
随着宇宙的膨胀，光子的波长会随着时空的膨胀而拉长，这意味着早期的辐射现在温度非常低，只比绝对零度高几度。
这是关于热大爆炸的第一个预测：微波辐射的温度应该是均匀的，只比绝对零度高几度，并且在空间的各个方向也应该是均匀的。
从理论上讲，微波辐射还应该遵循黑体光谱，符合广义相对论定律下热力学在膨胀宇宙中的工作方式。
对微波辐射的观测：COBE、WMAP到普朗克
1965年阿诺·彭齐亚斯和鲍勃·威尔逊通过霍尔曼德尔的喇叭天线发现了这种充满全天空的辐射噪音。他们发现来自天空各个方向的微波辐射量是一致的，温度在3开尔文左右浮动，在天空不同的方向上没有明显的变化。
后来经COBE卫星的证实，这些波动的频谱确实与黑体预测相符，达到了前所未有的精确度！
但是有时候太完美也不是好事，如果天空中各处的辐射是完全一致的，而且绝对没有温度波动，那么宇宙就不会形成恒星、星系或星系团。因为物质完美均匀的分布，引力就不能发挥作用。
所以宇宙需要“不完美”作为种子，在引力和时间的影响下，无论在大小尺度上，结构都可以形成。
所以当我们第一次测量的温度为3k时，没有发现任何波动，这有点让人惊讶。然后我们又得到了更精确的结果，发现温度为2.7开尔文，仍然没有波动。再准确一点，发现温度为2.73开尔文，仍然没有波动。
最后，人们发现天空的一边比平均温度略高3.3毫开尔文，而另一边比平均温度略低3.3毫开尔文。这是因为我们是在宇宙微波背景的静止坐标系下以每秒几百公里的速度运动，这也完全符合我们在宇宙中的运动方式和多普勒效应。
但这个并不是原始的温度波动；只是我们在太空中运动的结果！如果我们想要找到宇宙的原始波动，我们就需要更精确的测量，这意味着在更小的尺度上，我们需要达到微开尔文的精度。普朗克卫星完成了更精确的天空测量！
COBE能够测量到的波动分辨率为7度左右，WMAP能够测量到0.5度左右，而普朗克的分辨率优于0.1度，并且能够测量到温度波动到百万分之一开尔文。普朗克的整个天空图是这样的。
微波辐射告诉了我们什么？
现在，我们用这样的微波地图能做什么呢？根据理论，我们可以向宇宙中加入一些成分来得到不同的波动模式。这些成分包括:
普通的原子物质，光子,中微子,暗物质,宇宙弦,磁畴壁,宇宙常数，以及其他可能性。我们计算宇宙由什么组成的方法是，在不同的角度和尺度上，宇宙应该呈现不同的波动幅度和分布。我们用不同的方法将天空分成越来越小的块来测量这些波动。
所以我们就可以比较不同尺度下天空测量的温度，并且可以找到每个尺度下温度波动的平均振幅。对宇宙微波背景的最佳模拟告诉我们，宇宙似乎是由:
大约4.9%的正常原子物质，约0.01%的光子,大约0.1%的中微子，大约26.3%的暗物质，没有宇宙弦,没有磁畴壁,68.7%宇宙常数，暗能量。微波辐射告诉我们的在宇宙物质组成与其他所有的观察结果惊人地一致。
这就是宇宙微波背景辐射，及其来源。我们从中得到了宇宙起源的信息，验证了大爆炸的正确性，宇宙的组成成分。
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