微波背景辐射

发布者:admin 发布时间:2019-10-22 14:57 浏览次数:

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  微波背景辐射是宇宙中“最古老的光”,就是大爆炸的遗迹,穿越了漫长的时间与空间后成为了微波,充盈在整个宇宙空间里。需要注意不要把“大爆炸”理解为一般意义上的爆炸,比如从一个点炸裂开来四散辐射,因为大爆炸并不是在某个空间中的一点发生的,是大爆炸创造了空间本身。在宇宙中,微波背景辐射是均匀的,来自各个方向都一样,因此好比宇宙的“背景”。是来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射,也称为宇宙背景辐射。

  微波背景辐射(microwave background radiation) 来自宇宙空间背景上的各自同性的微波辐射,也称为宇宙背景辐射。微波背景辐射是60年代天文学四大发现之一。20世纪60年代初,美国科学家彭齐亚斯和威尔逊为了改进卫星通讯,建立了高灵敏度的号角式接收天线年,在用此天线系统测量银晕气体射电强度时,发现总有消除不掉的背景噪声,通过分析,他们认为这些波长为735厘米的来自宇宙的微波相当于35K,1965年,又证C认为3K并公诸于世,此发现荣获了1978年度的诺贝尔物理学奖。进行微波背景辐射测量时,主要的干扰因素是大气辐射、银河系辐射和河外源辐射,背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射谱。在03—75厘米波段,可以在地面上直接测C到;在大于100厘米的射电波段,银河系辐射掩盖了来自河外空间的辐射,因而不能直接测到;在小于03厘米波段,由C于大气辐射的干扰,要依靠各种空间探测手段才能测到。

  19世纪以前,人们一直认为,从天上来到人间的唯一信息是天体发出的可见光,从来没有人想到,天体还会送来眼睛看不见的“光”——可见光波段以外的电磁波。不过,到了20世纪60年代,人们已经开始通过大型无线电接收天线(射电望远镜)对宇宙天体发出的电磁波进行观测。

  1964年5月,美国贝尔实验室的两位研究人员——阿诺·彭齐阿斯和罗伯特·威尔逊为了检验一台巨型天线的低噪声性能,而把天线对准了没有明显天体的天区进行测量,竟出乎意料地收到了相当大的微波噪声。他们发现,无论把天线指向何方,总能收到一定的噪声。这种波长为7.35厘米的微波噪声既不是来自某个天体,也不是来自仪器的干扰,而是来自广阔的宇宙空间,好像在宇宙空间存在着辐射背景。进一步的精确测量显示,这种辐射的温度相当于绝对温度3K的黑体辐射。他们对自己的观察结果虽然十分意外,却一时无法解释这多出来的温度从何而来,所以没有立即公布自己的发现。

  其实,早在1946年,美国核物理学家伽莫夫就曾提出过一个虚拟的宇宙模型,认为宇宙起源于爆炸,作为大爆炸的遗迹,宇宙间可能存在着一种电磁辐射。1953年,他估计这种辐射温度可能是5K,但是因为没有实验证实这一理论的正确性,一直被看作猜测,他的判断未能引起人们的重视。

  60年代,美国普林斯顿大学成立了一个由迪克领导的研究小组,对这一理论进行了多方面的探讨。他们花了很多心血,却一无所获,伽莫夫的预言还是得不到确认。研究小组中的皮伯斯在一篇论文中预言,在3厘米波长处应该接收到10K的噪声,这是一种残留的热背景辐射。

  1965年,彭齐亚斯和威尔逊间接地获悉了普林斯顿大学研究小组的工作后,喜出望外。他们打电话告诉迪克教授,迪克教授给了他一篇皮伯斯的论文。双方经过深入讨论后,彭齐亚斯和威尔逊初步断定他们所观察到的正是普斯顿大学研究的宇宙背景辐射;而迪克小组之所以探测不到微波背景辐射,是因为天线灵敏度不够。彭齐亚斯和威尔逊撰写了一篇只有600字的论文:《在4080兆赫处天线附加温度的测量》,宣布了他们的成果。

  由于宇宙背景辐射为大爆炸宇宙学理论提供了有力的证据,所以微波背景辐射的发现成为60年代世界天文学的“四大发现”之一。1978年,彭齐阿斯和威尔逊因此而荣获了诺贝尔物理学奖。

  微波背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射谱,在0.3~75厘米波段,可以在地面上直接测到;在大于100厘米的射电波段,银河系本身的超高频辐射掩盖了来自河外空间的辐射,因而不能直接测到;在小于0.3厘米波段,由于地球大气辐射的干扰,要依靠气球、火箭或卫星等空间探测手段才能测到。从0.054厘米直到数十厘米波段内的测量表明,背景辐射是温度近于2.7K的黑体辐射,习惯称为3K背景辐射。黑体谱现象表明,微波背景辐射是极大的时空范围内的事件。因为只有通过辐射与物质之间的相互作用,才能形成黑体谱。由于现今宇宙空间的物质密度极低,辐射与物质的相互作用极小,所以,我们今天观测到的黑体谱必定起源于很久以前。微波背景辐射应具有比遥远星系和射电源所能提供的更为古老的信息。

  微波背景辐射的另一特征是具有极高度的各向同性。这有两方面的含义:①小尺度上的各向同性:在小到几十弧分的范围内,辐射强度的起伏小于0.2~0.3%;②大尺度上的各向同性:沿天球各个不同方向,辐射强度的涨落小于0.3%。各向同性说明,在各个不同方向上,在各个相距非常遥远的天区之间,应当存在过相互联系。

  除微波波段外,在从射电到γ射线辐射的各个波长上,大都进行过背景辐射探测,结果是微波波段的辐射最强,其强度超过其他所有波段的背景辐射的总和。微波背景辐射的发现被认为是二十世纪天文学的一项重大成就。它对现代宇宙学所产生的深远影响,可以与河外星系的红移的发现相比拟。当前,流行的看法认为背景辐射起源于热宇宙的早期。这是对大爆炸宇宙学的强有力的支持。早在四十年代,伽莫夫、阿尔菲和海尔曼根据当时已知的氦丰度和哈勃常数等资料,发展了热大爆炸学说,并预言宇宙间充满具有黑体谱的残余辐射,其温度约为几K或几十K。3K微波背景辐射的实测结果与理论预期大体相符。此外,还有用其他模型或机制来解释微波背景辐射的宇宙学说。

  世界上第一张关于微波辐射的高分辨率图像为宇宙微波背景辐射理论(CMB)提供了依据。这张照片受到了人们热情的关注。1990年,美国天文学会对于提早公开这些新图像大加赞扬。两年后,剑桥大学的Stephen Hawking描述了从这些图像上得出的一个结论,这被人们称作“世纪发现”。

  Hawking赞扬了一张CMB图像的分析结果。这张照片是由美国宇航局(NASA)的宇宙微波背景辐射探测卫星(COBE)拍摄的。CMB把我们和宇宙的早期直接联系了起来——这是一张宇宙的“婴儿照片”, 它忠实再现了宇宙童年的每一个斑点和涟漪。COBE的数据显示,大爆炸发生后不久,物质就开始聚集。宇宙学家们相信, 物质的这种不均匀的分布是恒星和星系形成的起点。

  但是这些结论还仅仅是对于CMB研究的一个开始。我们应当感谢COBE计划的两个继任者——其中之一计划在下周(即2001年6月的最后一周。据最新消息,NASA的MAP卫星已经于6月30日格林尼治标准时间19点46分从卡纳维拉尔角顺利发射——译者注)升空——我们将会得到新的更高分辨率的图像。宇宙学家们可以借此检验他们对于大爆炸之后情况的理解。也许还可以解释为什么宇宙是现在我们看起来的这种样子。

  “我们正在加入CMB研究的十年计划,”加州帕萨迪那喷气推进实验室(JPL)的一名CMB物理学家Charles Lawrence如是说。CMB的数据把我们带回宇宙只有300 000岁的年代。那时候,宇宙是一锅充满光子、电子、质子和氦原子核的浓汤——原子从那里形成。电子和质子跳着疯狂的探戈舞——它们时而结合,时而分开。但是随着宇宙的膨胀和冷却,质子和电子开始配对形成氢原子。这使质子获得了自由,氢原子中的电子更加难与质子相互作用。物理学家把这种现象称作质子和电子的“隔离”。被“隔离”的质子随铺遍宇宙每个角落的微波辐射“地毯”共存到了今天。费城宾夕法尼亚大学的宇宙学家Max Tegmark说:“这是迄今我们对于早期宇宙的最彻底的调查。”

  CMB包含了宇宙的“隔离”阶段开始时的状态非常珍贵的信息。COBE一大贡献就是,揭示出了天空各区域平均能量或者温度的1/10 000的涨落。COBE的CMB温度图像(图1)显示了冷和热的区域的交替起伏。 这是由于在“隔离”开始阶段宇宙各个部分密度不一致造成的。更“热”的光子来自于早期宇宙稠密的区域。这种起伏现象支持了恒星和星系的形成归结于物质分布不均匀的理论。但是COBE的传感器缺乏足够的分辨率去回答一些重要的问题。对高分辨率的CMB图像的分析将会提供给宇宙学家失落的细节, 并且能够帮助他们判断哪种描述宇宙演化的膨胀模型是正确的。关于CMB的信息是如此的重要,因此,科学家在太空探测器升空之前就开展了地面的研究项目以获得CMB数据的精华。新泽西普林斯顿大学的物理学家Lyman Page这样说。与COBE不同的是,地面观测站和气球上的传感器只能拍摄有限的天区,但这不会妨碍它们观测到重要的结果。

  去年,河外星系毫米波射电和地球物理国际气球观测实验(BOOMERANG)——悬挂在环绕南极飞行的气球下的非常灵敏的微波探测器——拍摄到了迄今为止最高质量的CMB图像。 对这些数据的分析证实了宇宙确实是平坦的——它将会永远的膨胀下去,而不是一些模型所预言的“大坍塌”。

  但是现在研究活动的焦点是将部分地面和气球的研究工作转移到两颗卫星上去。它们在研究CMB上有空前的精确度。太空实验有相当大的优点。新的探测器将会避免地球上的微波源对CMB研究的干扰。这些干扰包括移动电话和雷达,甚至还有大气的散射作用。 和它们的老祖宗COBE相同的是,新的探测器观测整个天空,但是这次的分辨率更高。COBE无法观测到角分辨率小于7°的起伏(1°大约是满月张角的两倍)。BOOMERANG对于有限天区的分辨率大约在0.25°。如果一切顺利,下周我们就能看到NASA发射“微波各向异性探测器”(MAP),它能对全天实施角分辨率为0.3°的观测。2007年,欧洲航天局(ESA)将发射普朗克(Planck)探测器,航天局还计划发射更加精密的角分辨率达0.17°的CMB探测器。

  宇宙学家急切盼望着MAP和Planck拍摄的图像。根据形成CMB偏差的理论,不同尺度上的起伏源于早期宇宙不同的基本原理。在大约1°尺度上的起伏是由于早期宇宙的震荡。引力试图拉住“物质浓汤”,但这被光子运动所产生的压力所反抗。这种“拉”力和“压”力造就了一系列的反射,并且造成了小块区域不均匀的密度——这就是小尺度起伏的原因。

  对于“物质浓汤”曾经的运动所造成的起伏的分析将会向宇宙学家揭示出这锅“物质浓汤”的结构。研究者期待MAP和Planck的数据会使他们更好的估计早期宇宙的属性,诸如质子和电子的密度,以及物质和辐射之间的能量分配问题。

  这些更精确的图像将会对消除宇宙演化理论的分歧有所帮助。大多数宇宙学家深信,在“隔离”开始前,宇宙曾经历了一个“暴涨”阶段,它膨胀的速度甚至超过了光速。但是对于各种暴涨理论参数的测量表明,它们都包含着许多重大的错误,这导致了人们无法确定哪个理论是正确的。位于威尔士的加的夫大学的MAP小组成员Philip Mauskopf说: “如果你想要否定那些理论家,你就必须有真正的证据。”

  无论CMB多么重要, 太空计划的昂贵花费使人们对于两个探测器的必要性产生了怀疑。这两个探测器计划是由其相应的机构在1996年先后不到1个月的时间里批准的。一些研究者私下说, 这两个机构把CMB作为它们最优先的天体物理学研究,但是却对对方的选择程序缺乏信任。附属于MAP小组的科学家说, 他们不相信Planck——它既昂贵又使用了很多未经试验的技术——能够通过ESA的批准程序。无论什么原因,CMB科学家很高兴看到发射两个探测器的结果,这使他们的数据有了双保险。“CMB是如此的重要,因此两个计划都是必须的,”BOOMERANG和MAP小组的成员Page这样说。新的CMB数据也可能将暴涨理论完全排除——这种情况的可能性也是有的。最初的地面试验的数据似乎是支持暴涨理论的,但是那些数据中包含了太多的噪声而无法排除出错的可能性。但是对于理论更加严格的检验依赖于MAP和Planck所提供的数据。暴涨理论特别提出了关于CMB光子偏振的预言,这可以使它排除与其竞争的理论。Planck将会测量偏振现象,但是它的精度下限是10°。 更精确的测量仰赖于两个气球观测实验—— BOOMERANG的扩展实验和国际毫米波各向异性实验成像阵列(MAXIMA)计划--但是被观测的天区过分受限制。卫星和气球联合观测偏振现象将是检验暴涨理论的重要的一步——但是一个高分辨率的、全天区的观测将有待未来完成,这一切还没有计划。

  大多数研究者相信暴涨理论可以通过CMB十年研究计划的检验。但是他们一致认为,下一个十年许多宇宙学理论将被淘汰出局,而研究者将会接近关于宇宙演化的共识。

  随着下周NASA的MAP卫星(右)的发射,宇宙学家希望由COBE拍摄的宇宙微波背景辐射温度起伏的图像(左)将被更高分辨率的图像所取代。

  1934年,Tolman是第一个研究有关宇宙背景辐射的人。他发现在宇宙中辐射温度的演化里温度会随著时间演化而改变;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,由旅美的俄国物理学家伽莫夫带领的团队估算出,如果宇宙最初的温度约为十亿度,则会残留有约5~10k 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(Zeldovich)、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开的背景辐射,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)等人也开始着手制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阿诺·彭齐亚斯(Penzias)和罗伯特·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,他们将天线对准天空方向进行测量。他们发现,在波长为7.35cm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。

  紧接着狄克、皮伯斯、劳尔和威尔金森在同一杂志上以《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。这个黑体辐射对应到一个3k的温度。之後在观测其他波长的背景辐射推断出温度约为2.7K。

  宇宙背景辐射的发现在近代天文学上具有非常重要的意义,它给了大爆炸理论一个有力的证据,并且与类星体、脉冲星、星际有机分子一道,并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。

  “微波背景辐射”是存在于整个宇宙空间的、各向同性的、在微波波段的电磁辐射,这是美国射电天文学家彭齐亚斯(ArnoPenzias, 1933~)和威尔逊(Robert Woodrow Wilson, 1936~)于1964年偶然发现的(详见第三章第五节)。当时他们建立了一个灵敏度极高的定向接收系统来探测宇宙,发现从天空中任何方向都接收到一种强度完全相同的微波波段电磁辐射“干扰”,后来被认定这种辐射并非来自任何星系,而是存在于整个宇宙背景之中,因此称它为宇宙背景辐射。他们做了大量的实验又确认这种辐射相当于温度为2.7K的辐射,彭齐亚斯和威尔逊因此而获1978年度诺贝尔物理学奖金。

  建立宇宙大爆炸学说的伽莫夫等人预言,作为大爆炸过程的遗迹,目前的宇宙中应该无处不有、各向同性地充满了等效温度大约为3K的黑体辐射。由于这辐射的峰值波长在1毫米附近,处于微波波段,故又称为“微波背景辐射”。

  令人遗憾的是,这一重要预言在提出后的10多年中竟未引起人们的认线年,美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊,在新泽西州用一架噪声极低的角状反射天线测量高银纬区(即银河平面的以外区域)发出的射电波。这种测量最大的困难在于怎样将有用的信号与来自大气干扰、天线结构及放大电路的各种噪声信号区分开来。在采用了种种降低噪声的措施后,他们本打算验证一下,在7.35cm 波长上天线自身的噪声可以忽略不计,尔后再到21cm波长上去观测星系的射电波。但是,出乎预料的事发生了:在7.35cm波长上,他们收到了相当强的与方向无关的微波噪声。在随后的一年里他们进一步发现,这一微波噪声既不随时日变化,也不随季节张落,它显然不是来自银河系,似乎来自更为广阔的宇宙背景。

  无线电工程师常用“等效温度”描写射电噪声的强度。彭齐亚斯和威尔逊发现他们收到的微波射电噪声的等效温度在2.5-4.5K之间,但是他们并不清楚自己发现的意义。后来,普林斯顿大学的青年物理学家皮伯斯(P.E.J.Peebles)得知了这一消息,皮伯斯早先曾经在一次学术报告中发布,早期的宇宙应该留下一个10K的背景辐射(他将等效温度估计高了)。

  在得到消息的当时,普林斯顿大学的几位实验物理学家迪克(R.H.Dicke)、罗尔(P.G.ROLL)H和威金森(D.T.Wilkinson)正在着手装置一架低噪声的小型天线,以便观测皮伯斯所说的早期宇宙遗留下来的辐射。在迪克等人尚未完成测量装置之前,得知了彭齐亚斯和威尔逊的发现,立即认识到这正是他们梦寐以求的宇宙背景辐射。

  为了“验明正身”,20多年来,全世界天文学家对这种辐射的频谱、方向及黑体辐射性进行了大规模的调查验证,获得了充分的数据支持。1972年,康奈尔火箭小组和麻省理工学院气球小组在大气层外测量的结果表明,辐射频谱符合大约为3K的黑体辐射分布。1974年一个伯克利气球小组还肯定了在0.25-0.06cm 波段(即7.35cm之外),辐射谱偏离峰值后下降。

  1989年,美国宇航局专门发射了宇宙背景探测者卫星,第一批外空间测量数据表明:在从0.5毫米到5毫米的整个波段上,该辐射的谱分布与温度为2.735±0.06k的理想黑体完全相合。

  在扣除运动效应以后,天空不同方向的相对误差小于十万分之一。这就无容置疑地证明了微波背景辐射的黑体性和普遍性。微波背景辐射是宇宙大爆炸模型最令人信服的证据。

  在现代宇宙学中这一发现可与宇宙膨胀的发现相媲美。如果说,哈勃的发现打开了宇宙整体动力学演化研究的大门,那么彭齐亚斯和威尔逊的发现则打开了宇宙整体物理演化研究的大门。

  经过了10年左右的多次反复验证,微波背景辐射被科学界完全确认。最初的发现者彭齐亚斯和威尔逊分享了1978年的诺贝尔物理奖金。


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