宇宙微波背景(CMB)真的是138億年大爆炸的餘暉嗎?它會消失嗎?

2021-01-11 科技領航人

在過去的138億年中,我們的宇宙一直在膨脹、冷卻和發展。 至少對於我們可觀察到的宇宙而言,炙熱的大爆炸本身是一次盛會,這是我們宇宙演化的「起跑槍」。隨著宇宙膨脹和冷卻,形成了原子核、中性原子、恆星、星系,最終形成了巖石行星,例如地球。 然而,當我們觀察宇宙時,即使在今天,仍然可以看到源自宇宙大爆炸的餘暉——宇宙微波背景(CMB)。 這怎麼可能?

就在此時此刻,當我們觀察宇宙中任何一個發光的天體時,我們並沒有看到它今天存在的樣子。相反,我們看到的天體是它過去某個時候的樣子,因為它發射出光需要穿越宇宙,直到它到達我們的眼睛。所以對於遙遠的恆星,我們永遠只能看到過去恆星的樣子。

當我們看到我們的太陽時,我們不是在觀察它現在發出的光,而是它8分20秒前發出的光:光穿過地球和太陽之間距離所需的時間。

圖註:在哈勃極深場圖像中識別出的星系可以被分解成附近、遙遠和超遠的部分,哈勃望遠鏡只能顯示出它能在波長範圍和光學極限下看到的星系。重要的是要記住,我們所看到的光只是在穿越浩瀚的太空之後,現在到達的光。

當我們觀察一顆幾百或幾千光年遠的恆星時,我們看到的是幾百或幾千年前的樣子;也許640光年遠的參宿四,在過去640年的某個時候變成了超新星。但如果真實情況 是這樣的話,那光還沒到地球。

當我們觀察一個遙遠的星系時,我們看到的是數百萬年甚至數十億年前的光。那光是:

產生於數百萬年或數十億年前,在不斷膨脹的宇宙中旅行數百萬或數十億年,到達我們的眼前。如果銀河系中的一顆恆星變成超新星,我們會在光線到達時觀察到超新星:不是在之前,也不是之後。如果形成了新的恆星,我們只能在它到達時,而不是在它到達之前或之後觀察到它,而只有在恆星形成並且有時間到達之後才能觀察到它發出的光。當那些恆星死後,它們的光就不再發出,因此,一旦它經過我們身邊,我們就再也見不到它們了。

圖註:通過改進的衛星圖像,大爆炸餘暉中的細節逐漸得到了更好的揭示。我們在太空中隨時都能看到大爆炸的餘輝,它永遠不會消失。

另一方面,儘管大爆炸本身發生在138億年前,但今天仍然可以看到大爆炸發出的光。如果我們在大爆炸後僅僅100萬年左右,我們也能看到光,儘管它的能量會更高,因為宇宙會膨脹得更小,光的波長會更短,溫度也會更高。

時間越久,我們看到的剩餘光就越多:溫度下降,光子數密度的減少,相對於物質和暗能量的重要性降低。儘管發生了所有這些變化,儘管大爆炸只是在一個瞬間發生(很久以前),但餘暉——曾經被稱為原始火球,現在被稱為宇宙微波背景(CMB)——仍然持續存在.

圖註:宇宙大爆炸(CMB)留下的餘暉遍布整個宇宙。 隨著粒子在太空中飛行,CMB光子不斷對其進行轟炸。如果能量條件合適,那麼像這樣的低能光子碰撞也有機會產生新的粒子。

與其將其視為難題,不如將其視為了解CMB的光與來自恆星,星系和單個天體物理光源的光有何不同的機會。對於宇宙中的其他一切——創造光的一切——光是:

在空間的特定位置創建,在某個特定的時刻創造的,以光速離開光源,穿過(膨脹的)宇宙,只在那一瞬間到達我們的眼睛。對於恆星、星系、超新星、災難性事件、氣體雲、耀斑和任何其他輻射源,這些都是真實的。但對於大爆炸的餘輝來說,所有這些輻射確實來自某個特定的時刻;它確實以光速穿過宇宙;它確實在某個特定的時刻到達我們的眼睛;但它並不是在太空中的一個位置上創建的。

關於大爆炸的最難理解的地方是大爆炸沒有起源點。這不像是一個恆星事件或爆炸;你沒法指定某一個位置說:「這就是大爆炸發生的地方,而不是其他地方。」大爆炸同時發生在所有地方,這就是大爆炸特別之處。

大爆炸代表了138億年前的一個時刻,當時宇宙處於超熱、超緻密狀態,充滿了物質、反物質和輻射。從那以後發生的一切都發生在大爆炸之後。反物質的湮滅(只留下一點點正常物質)、質子和中子的形成、輕元素的融合、中性原子的形成、第一個恆星和星系的形成等等,隨著時間之矢的推移,所有這些都發生在宇宙的任何地方。

這是理解輻射從何而來的關鍵。當我們看到大爆炸遺留下來的餘暉時,我們看到的是經過138億年的旅程後才——現在——抵達我們眼睛的光。我們觀察到的輻射不是在大爆炸發生的那一刻發出的,而是從38萬年後的某個時間點發出的:那時電子最終能夠穩定地與質子(和其他原子核)結合,而不會立即再次被炸開。

在此之前,輻射會從宇宙中所有的自由電子中來回反彈。簡而言之,光子(光的粒子)和電子相互作用頻繁而容易。但是一旦形成中性原子,並且光能量足夠低,這些中性原子就會對光透明。

圖註:在早期(左),光子從電子中散射出去,其能量足以將任何原子擊退回電離狀態。一旦宇宙冷卻到足夠的溫度,並且缺少這種高能光子(右),它們就不能與中性原子相互作用,而只能是簡單地自由流動,因為它們的波長將這些原子激發到更高的能級。

那這些光有什麼用?所有的光都做同樣的事情:它以光速穿越宇宙,直到到達與之相互作用的物體為止。

但問題是:那光無處不在。這種光——我們觀察到的構成CMB的光——是在大約138億年前從宇宙的所有點、任何地方、所有時間同時發出。在過去的138億年裡,從我們所在位置發射的光一直以光速遠離我們,由於宇宙的膨脹,現在距離我們大約460億光年。

同樣,今天到達我們眼睛的光是在138億年前發出的,而我們看到的CMB起源的「表面」(從我們的角度)現在距離我們460億光年遠。

圖註:可見宇宙的範圍現在持續461億光年:在大爆炸瞬間發出的光,經過138億年的旅程,今天到達我們。隨著時間的流逝,仍在向我們走來的光終將到來。

怎麼回事?一秒鐘前到達的CMB光是從一個球面發出的,這個球面比現在到達的CMB光稍微靠近我們一點。半個多世紀前,我們第一次探測到CMB時觀測到的光更近了,而我們將在遙遠的未來觀測到的光仍在路上,從一個我們還看不到的點向我們走來,因為那些光還沒有到達。

這意味著宇宙,現在,每立方釐米的空間裡都充滿了411個CMB的光子。這也意味著,當我們觀察遙遠的星系和其他天體時,這些天體與CMB光子的相互作用是:

數量更多(因為宇宙膨脹得更少),能量更大(因為光子的波長被拉伸得更少),溫度更高。最後一點很有趣,因為輻射與物質相互作用,我們可以觀察到——實際上已經觀察到——過去CMB是如何變熱的。

那麼到底發生了什麼?事實上,CMB正在「洗刷」著我們,而此時此刻,正是我們看到今天到達地球的特定CMB光子的唯一機會。經過了138億年的旅程,不斷膨脹的宇宙才使它們進入我們的視線,但它們經歷了最偉大的宇宙航行:從大爆炸到我們。

但是在這些光子到達之前,有光子從稍微靠近的位置到達。這些光子到達後,將被從稍微較遠的位置到達的光子代替。這將永遠持續下去,因為儘管這些光子的數量密度和能量都將繼續下降,但它們永遠不會完全消失。大爆炸使整個宇宙充滿了輻射。只要我們存在於這個宇宙中,大爆炸的餘暉將永遠伴隨著我們。

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