透露宇宙秘密的微波背景輻射

2021-01-15 廣東省輻射防護協會


夜幕降臨，當你抬頭看到繁星點點時，是否遐想到宇宙可能存在一個類似地球的星球，甚至還居住著一群人？科學家通過捕捉微波背景輻射告訴你宇宙的秘密。


1964年，美國貝爾實驗室的工程師阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜架設了一臺喇叭形狀的天線，用以接收「回聲」衛星的信號。為了檢測這臺天線的噪音性能，他們將天線對準天空方向進行測量，發現在波長為7.35cm的地方一直有一個各向同性的訊號存在，這個信號既沒有晝夜的變化，也沒有季節的變化，因而可以判定與地球的公轉和自轉無關。



起初他們懷疑這個信號來源於天線系統本身。1965年初，他們對天線進行了徹底檢查，清除了天線上的鴿子窩和鳥糞，然而噪聲仍然存在。於是他們在《天體物理學報》上以《在4080兆赫上額外天線溫度的測量》為題發表論文正式宣布了這個發現。不久狄克、皮伯斯、勞爾和威爾金森在同一雜誌上以《宇宙黑體輻射》為標題發表了一篇論文，對這個發現給出了正確的解釋，即這個額外的輻射就是宇宙微波背景輻射。


宇宙背景輻射的發現在近代天文學上具有非常重要的意義，它給了大爆炸理論一個有力的證據，並且與類星體、脈衝星、星際有機分子一道，並稱為20世紀60年代天文學「四大發現」。彭齊亞斯和威爾遜也因發現了宇宙微波背景輻射而獲得1978年的諾貝爾物理學獎。



宇宙微波背景輻射是宇宙中最古老的光。按照宇宙大爆炸理論，約140億年前（關於宇宙年齡，還有不同的說法），宇宙形成之初，緻密物質像籠子一樣禁錮了所有輻射，隨著這些物質密度的下降，微波背景輻射才得以掙脫束縛。就像恐龍化石能讓我們認識若干萬年前的恐龍一樣，這種「化石」光可以不受阻擋地穿越茫茫宇宙，讓我們了解宇宙「嬰兒時期」的各種信息。



早期的宇宙是一片高溫高密度的等離子體，等離子對電磁波是不透明的，所以這時候電磁波不斷被物質吸收和發射。直到大爆炸38萬年之後，宇宙冷卻下來，原子核和電子結合成原子，這時候的宇宙才允許透過電磁波，電磁波和物質脫耦，在空間自由傳播。經過137億年，由於宇宙膨脹導致不斷紅移，溫度越來越低（黑體輻射紅移後還是黑體輻射譜），被我們接收到時變成溫度2.7K的微波背景輻射。所以微波背景輻射只能告訴我們大爆炸38萬年之後的事，而更早的宇宙就無法通過微波背景輻射了解。



微波背景輻射的最重要特徵是具有黑體輻射譜，在0.3-75釐米波段，可以在地面上直接測到；從0.054釐米直到數十釐米波段的測量表明，背景輻射是溫度近於2.7K的黑體輻射，習慣稱為3K背景輻射。黑體譜現象表明，微波背景輻射是極大時空範圍內的事件。因為只有通過輻射與物質之間的相互作用，才能形成黑體譜。由於現今宇宙空間的物質密度極低，輻射與物質的相互作用極小，所以，我們今天觀測到的黑體譜必定起源於很久以前。



微波背景輻射的另一特徵是具有極高的各向同性。這具有兩方面的含義：一是小尺度上的各向同性，在小到幾十弧分的範圍內，輻射強度的起伏小於0.2-0.3%；二是大尺度上的各向同性，沿天球各個不同方向，輻射強度的漲落小於0.3%。各向同性說明，在各個不同方向上，各個相距非常遙遠的天區之間，應當存在過相互聯繫。



2009年5月，「普朗克」太空探測器從法屬蓋亞那庫魯航天中心升空入軌，其主要任務是探測宇宙微波背景輻射，幫助科學家研究早期宇宙形成和物質起源的奧秘。2013年，歐洲航天局21日在其巴黎總部公布了根據「普朗克」太空探測器傳回數據繪製的宇宙微波背景輻射圖。這幅迄今最精確地反映宇宙誕生初期情形的全景圖幾近完美地驗證了宇宙標準模型，比美國航天局此前發射的宇宙背景探索者（COBE）衛星和威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）探測到的微波背景輻射更為精確，見證了宇宙誕生38萬年後的情形。



除了以前所未有的精確度很好地驗證了宇宙標準模型外，這幅圖還反映出一些與現有宇宙理論不同之處，修正了人們此前的認識。根據「普朗克」探測器收集的數據，科學家對宇宙的組成部分有了新的認識，宇宙中普通物質和暗物質的比例高於此前假設，而暗能量這股被認為是導致宇宙加速膨脹的神秘力量則比想像中少，佔不到70%。


此外，反映宇宙膨脹率的哈勃常數也被修正至67.15公裡/（秒·百萬秒差距），即一個星系與地球的距離每增加一百萬秒差距（一秒差距約為3.26光年），其遠離地球的速度每秒就增加67.15公裡。這個數據意味著宇宙的年齡約為138.2億年。



2007年8月，科學家在研究宇宙微波背景輻射（CMB）信號時發現了一個巨大的冷斑（coldspot），其中完全是「空」的，沒有任何的正常物質或者暗物質，也沒有輻射信號，為什麼宇宙中會存在如此怪異的時空呢？為了尋找這個答案，科學家認為這是另一個宇宙的證據，冷斑現象可能使得宇宙學家推出一種結論，暗示我們的宇宙之外還存在平行宇宙。近日，科學家通過「普朗克」望遠鏡觀測到的輻射數據發現我們的宇宙可能是10億個宇宙中的一個，第一次有證據顯示平行宇宙是存在的。



關於冷斑的問題已經成為天文學家研究的重點，後來的研究顯示這片神秘的宇宙時空並非完全不存在物質，在其周圍存在小規模的星系，比起其他天區的星系，這些星系的跨度以及輻射都十分小，計算表明，宇宙空洞附近天體的輻射量比宇宙中其他可見時空輻射量減少大約20%至45%。然而，為什麼宇宙中會形成如此奇怪的時空呢？比如距離銀河系80億光年處就存在一個直徑大約為90光年的宇宙空洞，當前的宇宙大爆炸以及宇宙形成理論很難解釋為什麼可以形成這些空洞，它們的形成機制依然是個謎。


宇宙微波背景輻射的存在已經是一個不爭的事實，它帶給我們一個新的研究領域，如何正確解讀它是一個很值得討論的問題，它的意義可能遠比我們想像的更重大。（來源：《廣東輻射防護》2017年3月號總第19期 ）

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