微波背景辐射是如何实现“精密宇宙观测的”

人类首次发现宇宙微波背景辐射是在1964年。美国贝尔电话实验室的两位科学家阿罗·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊为此获得1978年诺贝尔物理学奖。他们起初曾将这种辐射误为是自己的接收机上不相关的噪声(实际上,宇宙微波背景是每当我们的电视机正常传输中断时接受到的那种“雪花”噪声的一部分)。但是,早在1940年代,伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼就做出了微波背景的理论预言,对后来关于宇宙起源的持续讨论作出了重要贡献。

微波背景辐射是如何实现“精密宇宙观测的”

当时主要有两种宇宙学理论在互相竞争:或者宇宙在最初的大爆炸中诞生然后继续膨胀,或者它总是处于在一种稳恒状态。大爆炸图景实际上预言了微波背景辐射的存在,因此,彭齐亚斯和威尔逊的发现自然让那种理论格外令人可信。

宇宙的起源

微波背景辐射是如何实现“精密宇宙观测的”

根据大爆炸图景,我们的宇宙是从一种极热的状态发展而来。关于宇宙的这种原初条件迄今尚无完善的理论,但看起来不久之后它就被密集得难以置信的辐射所充满。由这样一种发光“体”发出的辐射以特定方式分布于不同的波长,就像恒星一样,其发光的颜色(能谱)只取决于温度:温度低时,颜色发红;温度高时,颜色发蓝。除温度之外,我们对这种辐射一无所知,但是可以确切地预言它的能谱看起来像什么样子。这种被称为黑体辐射的能谱也可以在实验室产生,德国科学家普朗克第一个描述了它们的特殊形状。我们自己的太阳实际上是“黑体”,尽管它的光谱没有宇宙微波背景辐射那么完美。

根据大爆炸图景,背景辐射随宇宙膨胀逐渐变冷。然而能谱的原初黑体形状被保存下来。当辐射发出的时候,后来形成我们宇宙的混沌物质仍然是非常热的,温度大约在3000℃左右。然而我们今天测量到的背景辐射已显著变冷,现在对应于一个温度仅为绝对零度之上2.7度的物体散发的辐射。这意味着辐射的峰值波长增加了(黑体辐射的规律是温度越低,峰值波长越长)。所以现在发现的背景辐射波长落到了毫米至厘米之间的微波区域。

离开地球

微波背景辐射是如何实现“精密宇宙观测的”

宇宙微波背景的第一批测量是在高山、火箭和气球上做的。地球大气吸收了许多辐射,因此测量需要在非常高的地方进行。但即使在这样的高处,可能实际上被测量的也只有属于背景辐射能谱的一小部分。能谱内一大部分波长的辐射被大气如此高效地吸收,以至测量必须在地球大气之外进行。因为首先,地面测量(包括由彭齐亚斯和威尔逊所做的测量)不能充分显示出辐射的黑体性质。这就使人们难于知道背景辐射是否真正是大爆炸图景预言的那种类型。此外,局限于地面的仪器不容易探查宇宙的所有方向,使它难以证明这种辐射的确是各向同性的真实背景。从卫星上进行测量能同时解决这两个问题——仪器可能置于大气之上,并且测量可容易地及于四面八方。

1974年,美国宇航局邀请天文学家和宇宙学家为新的空基实验递交提案。这导致了COBE项目的启动。马瑟是这个庞大合作体(包含1000名科学家、工程师和其他人士)的真正动力。他也负责一台星载仪器(远红外绝对分光光度计),用于探查背景辐射的黑体谱。斯穆特则负责另一台重要的仪器(较差微波辐射计),用以寻找不同方向背景辐射温度的微小变化。

美国宇航局原来打算由一架航天飞机发射COBE。但是,在1986年挑战者号爆炸的悲剧事故以后,航天飞机的运作被中断了几年。这意味着COBE的未来处于危险之中。圆熟的交涉最后使马瑟及其合作者为COBE获得了专用的火箭,卫星最后在1989年11月18日发射。仅9分钟观察以后就得到第一批结果:COBE记录了一条完美的黑体谱!当这条曲线后来在1990年1月举行的一次会议上展示时引起了全场起立欢呼。COBE曲线是曾经测量过的最完美的黑体谱之一。

星系的诞生

微波背景辐射是如何实现“精密宇宙观测的”

但这只是COBE的部分结果。斯穆特负责的实验,其设计目标是寻找微波背景不同方向的微小变化。宇宙不同部分微波背景温度的微小变化,可以提供关于星系和恒星如何形成的新线索,说明物质为什么不是像均匀的泥浆那样散开,而是这样集中于宇宙中特定的位置。微小的温度变化能显示物质在何处开始聚集。这个过程一旦开始,剩下的事就由万有引力主导:物质吸引物质,导致恒星和星系形成。然而若没有一个开始的机制,不论银河系,太阳,或是地球都不会存在。

试图解释物质的聚集如何开始的理论,与原初宇宙中的量子涨落有关。同样类型的量子涨落产生于物质和反物质粒子不断的产生和湮灭。今天宇宙中测量到的温度变化,可以认为是这些量子涨落的结果,而且根据大爆炸理论,恒星、行星、最后生命能够演化出来也要归因于此。没有这些量子涨落,构成我们的物质会以完全另外的形式均匀散布于宇宙之中。

可见物质和暗物质

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当科学家们计划COBE实验时最初的想法是:为解释星系形成需要的微波背景温度变化,大约会是千分之一摄氏度。这已经很小了,但后来发现情况更糟:当COBE还在建造时,有研究者报告说,暗物质(我们不能看见的宇宙中的大部分物质)的影响意味着,要寻找的温度变化可能是在十万分之一度的范围。暗物质本身实际上是物质凝聚的一个重要动因,这意味着为解释这个过程的启动所需要的温度变化比早先设想的更小。

发现这样极小的温度变化是一个巨大挑战。即使重新设计仪器,从COBE得到的结果仍然变得比期望更加不确定和难于解释。这种变化是如此之小,以致它们很难与不相关的噪声区别开——那怎么能知道它们的确是真实的呢?当结果最终在1992年发表时,发现它们能与地面测量关联起来:尽管地面测量比COBE的测量更加不确定,但两者记录到温度变化的空间方向却是完全一致的。

1992年4月29日,英国物理学家斯蒂芬·霍金在一次采访中说,COBE的结果“即使不是所有时代,也是本世纪最伟大的发现”。

宇宙论从猜想变为精确科学

微波背景辐射是如何实现“精密宇宙观测的”

在COBE的成功的鼓舞下,第二代宇宙背景各向异性探测卫星(WMAP)于2001年升空。由于WMAP的空间分辨率从其前辈COBE的7°提高到了0.2°使得人们可以通过比较不同角度内测量到的温度变化,以前所未有(约1%)的精度测定宇宙中可见物质、暗物质以及暗能量的比例(分别约为4%,23%和73%)。因此,COBE项目可以并且已被看作为宇宙论成为精确科学的起点:宇宙学的计算第一次能与真实测量数据进行比较,这使得现代宇宙论成为一门真正的科学。

COBE和WMAP的测量为评估宇宙的基本形状提供了依据。COBE实验也开创了几个宇宙论和微粒物理学的新领域。新宇宙学测量目的在于更好的理解在背景辐射发出之前时刻发生的过程。在粒子物理学方面,目标是了解暗物质由什么构成。这是很快将在欧洲核研究中心使用的新LHC加速器(大型强子对撞机)的任务之一。

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