宇宙微波背景輻射,揭秘宇宙的起源和宇宙的終極未來!

2021-01-15 宇宙探索


幾千年來，人類一直在思考宇宙，並試圖確定它的真實範圍。而古代哲學家認為世界由一個被天體海洋或某種以太包圍的圓盤，金字塔或立方體組成，現代天文學的發展使他們開始關注新的領域。到了20世紀，科學家們開始明白宇宙究竟有多大（甚至可能無止境）。

在向外看的過程中，在更深入的時間裡，宇宙學家們發現了一些真正令人驚異的事情。例如，在1960年代，天文學家開始意識到在任何方向都可以探測到的微波背景輻射。被稱為宇宙微波背景(CMB)，這種輻射的存在幫助我們了解宇宙是如何開始的。

說明：

CMB本質上是電磁輻射，這是最早的宇宙學時代遺留下來的，貫穿整個宇宙。據信，它是在宇宙大爆炸後約38萬年形成的，它包含了第一批恆星和星系是如何形成的微妙跡象。雖然這種輻射用光學望遠鏡是看不見的，但射電望遠鏡能夠探測到射電光譜中微波區域最強的微弱信號(或輝光)。

在距離地球138億光年遠的地方，可以看到CMB，這使得科學家們確定這是宇宙的真正年齡。然而，這並不能說明宇宙的真實程度。考慮到空間自早期宇宙以來就一直處於擴張狀態，CMB只不過是我們所能看到的最遙遠的時間。

與大爆炸的關係：

CMB是大爆炸理論和現代宇宙學模型(如λ-CDM模型)的核心。正如這個理論所說，當138億年前宇宙誕生時，所有的物質都被濃縮在一個具有無限密度和極熱的單點上。由於物質的極端熱和密度，宇宙的狀態是高度不穩定的。突然，這一點開始擴大，而我們所知道的宇宙開始了。

此時，太空中充滿了由質子、中子、電子和光子(光)組成的白熱等離子體粒子的均勻輝光。在宇宙大爆炸之後的38萬到1.5億年之間，光子不斷地與自由電子相互作用，並且不能走很遠的距離。這就是為什麼這個時代被俗稱為「黑暗時代」。

當宇宙繼續膨脹時，它冷卻到電子能夠與質子結合形成氫原子(即重組期)。在沒有自由電子的情況下，光子能夠不受阻礙地在宇宙中運動，並且它開始像今天一樣出現(即透明的和被光滲透)。在其間的數十億年裡，宇宙繼續膨脹並大大冷卻。

由於空間的膨脹，光子的波長增長(變得『紅移』)到大約1毫米，它們的有效溫度降低到僅略高於絕對零度--2.7開爾文(-270°C；-454°F)。這些光子充滿了今天的宇宙，並以背景光的形式出現，可以在遠紅外和射電波長中探測到。

研究歷史：

1948年，烏克蘭裔美國物理學家喬治·加莫和他的學生拉爾夫·阿爾弗和羅伯特·赫爾曼首次提出了CMB存在的理論。這一理論是建立在他們對早期宇宙中輕元素(氫、氦和鋰)核合成結果的研究基礎上的。本質上，他們意識到為了合成這些元素的核，早期的宇宙需要非常熱。


宇宙大爆炸的時間線。宇宙中微子在CMB發射的時候就會影響它，直到今天為止，物理學一直在關注著它的其餘演化過程。

他們進一步推測，這一極熱時期遺留下來的輻射將滲透到宇宙中，並且是可以探測到的。由於宇宙的擴展，他們估計這種背景輻射的低溫為5K(-268℃；-450°F)，僅比絕對零度高5度，這對應於微波波長。直到1964年，才發現了CMB的第一批證據。

這是美國天文學家阿爾諾·彭齊亞斯(Arno Penzias)和羅伯特·威爾遜(Robert Wilson)使用狄克輻射計的結果，他們原本打算將該輻射計用於射電天文學和衛星通信實驗。然而，在進行第一次測量時，他們發現天線溫度超過4.2K，這是他們無法解釋的，只能用背景輻射的存在來解釋。由於他們的發現，彭齊亞斯和威爾遜於1978年被授予諾貝爾物理學獎。

最初，對CMB的探測是不同宇宙學理論支持者之間爭論的一個來源。大爆炸理論的支持者聲稱這是宇宙大爆炸遺留下來的「殘餘輻射」，而穩態理論的支持者則認為這是遙遠星系散射星光的結果。然而，到了20世紀70年代，出現了一種有利於大爆炸解釋的科學共識。

由歐空局普朗克飛行任務獲得的全天數據，顯示了不同的波長

在八十年代，地面儀器對CMB的溫差設定了越來越嚴格的限制。這些任務包括蘇聯在Prognoz 9號衛星(1983年7月發射)和NASA宇宙背景探測器(COBE)任務(其結果發表於1992年)。由於他們的工作，COBE小組在2006年獲得了諾貝爾物理學獎。

COBE還探測到了CMB的第一個聲學峰值，即等離子體中的聲學振蕩，這對應於早期宇宙中由於引力不穩定而產生的大尺度密度變化。在接下來的十年裡，許多實驗相繼進行，包括地面實驗和氣球實驗，目的是為第一個聲波峰值提供更精確的測量結果。

第二個聲學峰在幾個實驗中被試測到，但直到2001年威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)部署後才被確定。從2001年到2010年，當任務結束時，WMAP也探測到了第三個峰值。自2010年以來，多個特派團一直在監測CMB，以便更好地測量偏振和密度的小尺度變化。

CMB的未來：

根據不同的宇宙學理論，宇宙可能在某一時刻停止膨脹並開始逆轉，最終導致另一次大爆炸--大坍縮理論。在另一種情況下，被稱為大撕裂，宇宙的擴張最終將導致所有物質和時空本身被撕裂。

如果這兩種情況都不正確，並且宇宙繼續以加速的速度擴張，那麼CMB將繼續紅移到無法再探測到的點。在這一點上，它將被在宇宙中產生的第一束星光所取代，然後被假定將在宇宙的未來發生的過程所產生的背景輻射場所取代！！


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