探索宇宙奧秘,了解宇宙背景輻射被證實為黑體輻射

2020-12-22 荒野說科學

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曾經有人提出,兩個光子之間的平均距離僅與宇宙規模成正比,那麼與兩個典型星系之間的平均距離成正比。但是宇宙紅移效應是隨著宇宙膨脹,所有光線的波長將被「拉長」;因此,任何單個光子的波長也僅與宇宙規模成正比。

光子之間的間隔仍保持著約一個典型波長的距離,如黑體輻射那樣。按此推理,從量上說,隨著宇宙的膨脹,充滿宇宙的輻射仍可繼續使用普朗克黑體公式精確地進行描述,即使它不再與物質保持著熱平衡。

光子

黑體輻射的溫度與典型波長成反比,因此,它會隨著宇宙的膨脹而降低,與宇宙的規模成反比。但彭齊亞斯和威爾遜所測量的僅僅是一個波長。因此,當務之急是確定能否使用普朗克黑體公式描述波長輻射能量的分布,如果這的確是輻射和宇宙物質處於熱平衡狀態時的某個時期殘留下來的古老紅移輻射, 那是可以這樣描述的。

在這種情況下,根據所觀測到的射電噪聲強度與普朗克公式的比較結果計算得出的「等效溫度」,在所有波長上的數值都應等於彭齊亞斯和威爾遜所研究的在 7.35 釐米波長上的數值。

射電

自 1965 年以來,射電天文學家多次測量古老的微波輻射強度,範圍從 73.5 釐米波長到 0.33 釐米波長不等。每次的測量結果都與相對于波長的普朗克能量分布相一致,溫度處於 2.7 ~ 3k範圍之內。我們得出結論(即這的確是黑體輻射)。

我們來回憶一下「典型」波長,正是在「典型」波長上,普朗克分布達到最大值, 即0.29釐米除以開氏溫度得出的數值,對於 3k的溫度來說,計算結果僅僅小於 0.1 釐米。因此,所有微波測量都是在普朗克分布的最高值的長波上進行的。

黑體輻射

但我們也已經發現,在光譜範圍內,能量密度隨著波長的縮短而增加的原因恰好在於很難將大波長納入小體積中,估計很多輻射場都是這樣,包括不是在熱平衡狀態下所產生的輻射,射電天文學家將這部分光譜視為雷利-瓊斯區域,因為,首次對這部分光譜進行分析的是瑞利勳爵和詹姆斯·瓊斯爵士。

為了證實我們所看到的的確是黑體輻射, 我們必須超越普朗克分布的最高值, 進入短波長區域,檢查能量密度是否真的隨著波長的縮短而降低,就像根據量子理論所得出的結論那樣。當波長小於 0.1 釐米時,我們實際上已超出了射電或微波天文學家所研究的領域,進入了紅外天文學這一更新的學科。

光譜

遺憾的是,我們地球的空氣在大於 0.3 釐米的波長上幾近透明,而在較短的波長上,透明度變得越來越小。坐落在地面上的任何一個射電天文臺,甚至是坐落在高山上的射電天文臺,要想能夠在遠小於 0.3 釐米的波長上測量宇宙背景輻射,似乎都是不可能的。

奇怪的是,背景輻射的確是在較短波長上測量是由一名光學而不是射電或紅外天文學家測量的!在星座蛇夫座(「蛇夫星座」)中,有一個星際氣體雲,恰好位於地球和一個熾熱但並不顯眼的恆星,蛇夫之間。蛇夫的光譜中交叉著許多不常見的黑帶,這說明貫穿於其間的氣體正在一系列比較明顯的波長上吸收光。

蛇夫座

在這些波長上,光子所具有的能量恰好是氣體雲分子誘發躍遷使能量從低狀態轉變到高狀態所需的能量 ,分子, 就像原子一樣,僅僅在特有的或「量子化」的能量狀態下存在。因此,觀測到黑帶所出現的波長後,就有可能推斷出這些分子的某些性質以及發現它們時所處的狀態。

在星際雲中,一定存在相當一部分處於這種轉動態下的氰分子。麥凱勒根據基態和轉動態之間的已知能量差異,作出預估,認為氰分子正受到某些微擾的影響。當時,麥凱勒似乎沒有任何理由將這個神秘的擾動與宇宙的起源聯繫起來,也沒有引起很大的關注。

宇宙

然而,在1965 年發現 3k宇宙背景輻射之後,有人意識到,這個擾動恰恰就是 1941 年觀測到的使蛇夫星座雲中的氰分子轉動的那種擾動。只有黑體光子的波長為 0.263 釐米時,才能產生這種轉動,這個波長比地面射電天文能夠達到的任何波長都要短,但還不足以短到能夠檢測 3kK 普朗克分布中小於0.1 釐米的波長的迅速減少。

到目前為止,這種觀測僅能夠確定在小於 0.1釐米的波長上的輻射能量密度的上限。1976 年,伯克利氣球小組證實,輻射能量密度在0.06 ~ 0.25 釐米的短波範圍內繼續下降。我們現在似乎可以確定的是,宇宙背景輻射的確是黑體輻射,其溫度接近 3k。

參考資料:《宇宙的秘密》、《宇宙起源》

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