探索宇宙奧秘,了解宇宙中難以捕捉到的的微波噪聲二

2020-12-22 荒野說科學

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彭齊亞斯和威爾遜所掌握的一條數字數據,是他們所觀測到的射電噪聲的強度。描述這個強度時,他們使用了一種射電工程師常用的語言, 但事實證明, 在這種情況下,它卻產生了意想不到的相關性。

任何一種物體在高於絕對零度的溫度條件下,都會釋放射電噪聲。這些射電噪聲是由物體內部電子的熱運動產生的。在一個四壁不透明的盒子裡,任何規定波長上的射電噪聲的強度都取決於牆壁溫度——溫度越高,靜電幹擾強度越大。

四壁不透明的盒子

可以用「等效溫度」 一詞來描述規定波長所觀測到的射電噪聲的強度。等效溫度指盒子四壁的溫度,在其中,射電噪聲會達到觀測強度。當然,射電望遠鏡不是溫度計;它通過記錄射電波在天線結構中導致的微小電流來測量射電波的強度。

當一個射電天文學家說他已觀測到某某等效溫度下的射電噪聲時,他的意思僅僅是說,這是為了獲得射電噪聲觀測強度而不得不將天線置於其中的不透明盒子的溫度,而天線是否在盒內,則是另外一回事了。

射電望遠鏡

為了防止專家們提出反對意見,我需要說明的是,射電工程師經常根據所謂的天線溫度來說明射電噪聲的強度,天線溫度與上述「等效溫度」略有不同。關於彭齊亞斯和威爾遜所觀測的波長和強度,這兩個定義實際上是完全相同的。

彭齊亞斯和威爾遜發現,他們所接收到的射電噪聲的等效溫度約為絕對零度以上 3.5 攝氏度(或更精確地說,為絕對零度以上 2.5 ~ 4.5 攝氏度)。雖然有些溫度根據攝氏溫標進行測量,但它們卻並非冰的熔點溫度,而是指絕對零度,它們被稱為「開氏溫標」

因此,彭齊亞斯和威爾遜所觀測到的射電噪聲的「等效溫度」為 3.5 開爾文,或簡稱為 3.5k。儘管這個溫度比預期的要高得多,但從絕對意義上來講,仍然是非常低的,因此,彭齊亞斯和威爾遜在發表他們的發現結果之前曾考慮再三。

人們當時並沒有馬上意識到這是自發現紅移以來最重要的宇宙學進展。不久,由天文物理學家組成的「無形學院」便開始解釋微波噪聲之謎。彭齊亞斯碰巧因為一些其他事情給麻省理工學院的伯納德·伯克打電話, 他是一位射電天文學家。

紅移

伯克剛從另一個同事——卡內基學院的肯·特納——那裡聽到特納從約翰·霍普金斯獲悉的一個由 P.J.E. 皮布爾斯所作的講話,他是一位來自普林斯頓的年輕理論家。在這次講話中,皮布爾斯指出,應該存在一種早期宇宙殘留的射電噪聲背景,其當前的等效溫度大致為 10k。

伯克當時已經知道彭齊亞斯正在使用貝爾實驗室號角狀天線測量射電噪聲溫度,因此,他在電話中問到彭齊亞斯測量的進展情況。彭齊亞斯告訴他,測量進展順利,但對於某些測量結果,他還沒有弄明白。

貝爾實驗室

皮布爾斯指出如果在宇宙形成的最初幾分鐘不存在一個強大的背景輻射,那核反應的進行就會非常迅速,很大一部分氫就會被「烹飪」成較重的元素,這與當前宇宙中大約 3/4 是氫的事實相互矛盾。在巨大的等效溫度條件下, 在極短波長上,輻射可將核炸開,其爆炸速度如同其形成速度一樣快。

我們將會看到,這種輻射在隨後的宇宙膨脹過程中生存了下來, 但在宇宙膨脹過程中, 其等效溫度仍將不斷下降,與宇宙規模成反比。因此,當前宇宙也應充滿輻射,但其等效溫度要比宇宙最初幾分鐘的等效溫度低得多。

宇宙膨脹

皮布爾斯估計,為了確保背景輻射能夠使在宇宙最初幾分鐘所產生的核和較重元素處於已知範圍內,背景輻射的強度應非常強大,使其當前溫度至少達到 10k。這一數值估計得多少有些高,皮布爾斯和其他人便用更準確的數值取代了這個計算結果。實際上,皮布爾斯的預印本從未以原始形式發表過。然而這個結論還是非常正確的。

根據氫的觀測豐度,我們可以推斷,宇宙在最初幾分鐘一定充滿了數量巨大的輻射,這些輻射可以阻止過多的較重元素形成;從那時開始,宇宙的膨脹便使其等效溫度降低至幾開爾文,從而形成了目前的射電噪聲背景,它們均勻地來自所有方向。這立即成為了對彭齊亞斯和威爾遜的發現的理所當然的解釋。

參考資料:《宇宙的秘密》、《宇宙起源》

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