宇宙微波背景辐射的研究历程

正文


根据宇宙形成的「大爆炸理论」,我们的宇宙是在 $$137$$ 亿年前一次猛烈爆炸后形成,随着宇宙不断膨胀,温度也逐步下降。宇宙诞生初期,压力、密度皆极大,高能量光子充斥整个空间,与电子和质子不断作用,这时期的宇宙是不透明的。

诞生后约四十万年,宇宙平均温度下降至约摄氏三千度,电子跟原子核首度结合成为电中性的氢之后,自由的带电粒子数目锐减,由宇宙各处发射的光子从此可无拘无束地在辽阔的宇宙空间中奔驰,成为宇宙第一道光。

到今天,这宇宙第一道光依然存在,但波长因宇宙百亿年来的膨胀而增长了约一千倍,成为宇宙的微波背景辐射(Cosmic Microwave Background – CMB)。测量这些温度可以推算宇宙、银河系以及星体形成的时间。

宇宙微波背景辐射的研究历程

1934 年,Tolman发现在宇宙中辐射温度的演化里温度会随着时间演化而改变;而光子的频率随时间演化(即宇宙学红移)也会有所不同。但是当两者一起考虑时,也就是讨论光谱时(是频率与温度的函数)两者的变化会抵销掉,也就是黑体辐射的形式会保留下来。

1948 年,美国物理学家伽莫夫(Gamow)、阿尔菲(Alpher)和赫尔曼(Hermann)估算出,如果宇宙最初的温度约为十亿度,则会残留有约 $$5$$~$$10 K$$ 的黑体辐射。然而这个工作并没有引起重视。

1964 年,苏联的泽尔多维奇(Zel’dovich)、英国的霍伊尔(Hoyle)、泰勒(Tayler)、美国的皮伯斯(Peebles)等人的研究预言,宇宙应当残留有温度为几K的背景辐射,并且在厘米波段上应该是可以观测到的,从而重新引起了学术界对背景辐射的重视。

美国的狄克(Dicke)、劳尔(Roll)、威尔金森(Wilkinson)等人也开始着手製造一种低噪声的天线来探测这种辐射,然而另外两个美国人无意中先于他们发现了背景辐射。

1964 年,美国贝尔实验室的工程师彭齐亚斯(Penzias)和威尔逊(Wilson)架设了一台喇叭形状的天线,用以接受「回声」卫星的信号。为了检测这台天线的噪音性能,他们将天线对準天空方向进行测量。

他们发现,在波长为 $$7.35~cm$$ 的地方一直有一个各向同性的讯号存在,这个信号既没有周日的变化,也没有季节的变化,因而可以判定与地球的公转和自转无关。起初他们怀疑这个信号来源于天线系统本身。

1965 年初,他们对天线进行了彻底检查,清除了天线上的鸽子窝和鸟粪,然而噪声仍然存在。于是他们在《天体物理学报》上以《在 $$4080$$ 兆赫上额外天线温度的测量》为题发表论文正式宣布了这个发现。

不久狄克、皮伯斯、劳尔和威尔金森在同一杂誌上以《宇宙黑体辐射》为标题发表了一篇论文,对这个发现给出了正确的解释,即:这个额外的辐射就是宇宙微波背景辐射。彭齐亚斯和威尔逊也因发现了宇宙微波背景辐射而获得 1978 年的诺贝尔物理学奖。

1989 年美国航空太空总署(NASA)发射「宇宙背景探索者」(Cosmic Background Explorer – COBE),开展了对 CMB 精确及全面的研究。在 COBE 的侦察下,CMB 中的细微起伏逐渐显现出来。CMB 中的起伏虽然轻微,但却蕴含有关宇宙结构的第一手资料,是了解宇宙早期状况、验证及发展宇宙大爆炸理论的重要线索。

COBE 的成功不单令 CMB 研究跃居成新世纪天文学上的重要课题,同时亦为统筹 COBE 计划中的美国太空总署天文物理学家马瑟尔(John Mather)及专责量度 CMB 中细微温度起伏的加州大学柏克莱分校的物理学教授史慕特(George Smoot)带来 2006 年的诺贝尔物理学奖。

藉由 COBE 的探测,天文学界对宇宙形成初期的研究从多数以理论推测为主的研究,转向直接观测和测量的新时代。2001 年,美国航空太空总署的「威尔金森微波各向异性探测器」(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – WMAP)升空,它在温度灵敏度、準确度上均较 COBE 优胜,而在空间解析度上更远高于 COBE。而欧洲航空太空总署也于 2009 年发射普朗克卫星,更深度探索这个领域。


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