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宇宙微波背景

標籤:宇宙現象

宇宙微波背景(cosmic microwave background radiation),散佈於宇宙空間的微波輻射,顯示了自大爆炸之後,宇宙在不斷冷卻的事實。

宇宙微波輻射背景原理

  宇宙微波輻射背景原理

1定義

所謂宇宙背景輻射,是一群古老的光子。光的傳播跟聲音傳播一樣,需要一段時間傳遞。在一個山頭打出的光,另一山頭的人需一段時間后才能看到,因為光有一定的速度,因此我們所看到越遠的東西,事實上是它越早之前發出的光,經過一段時間才到達你的眼睛。因此在宇宙中,當我們看越遙遠的星體,看到的是它越早以前的樣子,我們不僅看見140億光年大小的宇宙,也可以看到140億年前的宇宙。宇宙背景輻射是在宇宙大爆炸後10萬年發出,經過140億光年才到達地球。1992年美國太空總署人造衛星COBE第一次成功看到全天早期宇宙長相,記載各個不同方向上古老光子的強度,即各方向上宇宙140億年前的長相。這項發現大大震撼了90年代的天文界,因為推翻了原來大家以為早期宇宙的光應是均勻分佈的想法。
工作原理

  工作原理

2研究專家

首先發現宇宙微波背景輻射的兩位工程師,原是要建造無線電天線,卻因偵測到始終無法改善的雜訊,進而發現了宇宙微波背景輻射,在1965年發表相關論文,並在1967年獲得諾貝爾物理獎。由1992年至今的10多年間,全世界有超過10個以上的觀測實驗,成功偵測到宇宙140億年前的面貌。最近較為重大的發現,為美國航太總署的威金森微波異向性探測器(WMAP)偵測到宇宙140億年前的詳細面貌,解析度較之前改進許多。因此,1992年便成為現代宇宙學的起點。

3科學推理

宇宙學主要的觀測證據即為宇宙背景輻射。因為我們知道宇宙在膨脹,當我們將時間往回推時,宇宙越縮越小,會發現宇宙早期壓力、密度皆極大,當壓力密度極大時,電子會遊離出來,就像水在高溫時變為水蒸氣,光遇到電子會無法直線前進,被電子散射。如同透過水蒸氣無法看到對面的人,因為光被水蒸氣所散射。所以早期宇宙為不透明的宇宙。直到宇宙年齡10萬年左右,膨脹使溫度降到約3000度,電子與質子結合成為電中性的氫之後,光終於得以直線前進。所以我們現在只能看到宇宙大爆炸10萬年後的宇宙,因為在此之前宇宙是不透明的。因為這些光已在宇宙中穿梭了140億年,所以在這140億年中,宇宙中發生的所有事情,皆可以藉由這些光得知。

4原理介紹

這就如同觀眾與講台螢幕的關係:若觀眾為地球,螢幕假設為最後散射面,若觀眾與螢幕之間有一蒼蠅飛過,觀眾可以發現蒼蠅的存在,因為螢幕的光可以把蒼蠅照出來,但若螢幕與房間皆為黑暗,則蒼蠅不會被發現,所以宇宙微波背景輻射可以說是提供了一個背景光,使140億年來發生的事件皆可藉由這些背景光照射出來。為什麼星光不行呢?因為即使最早的星系也是在60、70億年前形成的,最早的宇宙並沒有星系。根據愛因斯坦的廣義相對論,宇宙膨脹時會將光波的波長拉長,早期宇宙光波到達地球時,波長會被拉長數毫米,即為微波的範圍,微波是肉眼無法看見的,否則在使用微波爐時,會看見微波爐是整個發亮的。因此要利用微波望遠鏡才能看到微波背景輻射。而所謂的「宇宙弦」概念如同冰塊的斷面,冰塊的斷面是因為水在降溫的過程,不同區域結晶方向不同,所以產生斷裂。宇宙弦的存在間接證明統一場論的存在,宇宙弦的尋找也是藉由宇宙背景輻射的觀測。
想像螢幕的光是均勻的,若觀眾與螢幕之間有一條宇宙弦垂直於地面存在,由左向右移動,會發現螢幕左半邊的光變得比較亮,這是廣義相對論告訴我們的結果,所以當光到達地球的過程中,如果有宇宙弦存在,我們會看見天空有某一半邊比較亮。光學望遠鏡因口徑有限,所以可以看到的距離有限,目前全世界最大望遠鏡為夏威夷茂納開亞的10公尺凱克(Keck)望遠鏡。同樣亮度的星若放在較遠的距離,亮度會變得較暗,因此光學望遠鏡無法看到太暗的天體,但藉由宇宙微波背景輻射卻可以看見。因為無論蒼蠅介於螢幕與觀眾間的何處,螢幕的光皆會通過它,所以我們都可以看到那隻蒼蠅。因此無論該星有多暗、多遠,即使再遠也仍介於宇宙微波背景輻射與我們之間,所以透過觀測宇宙微波背景輻射,我們可以看見全宇宙最早誕生的星系。
此外我們還可以藉由宇宙微波背景輻射研究黑洞:若我們與宇宙背景輻射之間存在一巨大黑洞,會看見如同中間放了一個放大鏡一樣,中間部份被放大,這就是所謂「重力透鏡效應」,簡言之,若我們與遙遠星間存在一巨大黑洞,根據廣義相對論,光在通過強大重力場時,光的路徑會偏折,所以對觀測者而言,星星的位置會改變,如同放大鏡的放大效應,可利用此原理來尋找黑洞。
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