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微波背景輻射

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微波背景輻射是宇宙中「最古老的光」,就是大爆炸的遺迹,穿越了漫長的時間與空間后成為了微波,充盈在整個宇宙空間里。需要注意不要把「大爆炸」理解為一般意義上的爆炸,比如從一個點炸裂開來四散輻射,因為大爆炸並不是在某個空間中的一點發生的,是大爆炸創造了空間本身。在宇宙中,微波背景輻射是均勻的,來自各個方向都一樣,因此好比宇宙的「背景」。是來自宇宙空間背景上的各向同性的微波輻射,也稱為宇宙背景輻射。

1 微波背景輻射 -基本簡介

微波背景輻射微波背景輻射

微波背景輻射(microwave background radiation) 來自宇宙空間背景上的各向同性的微波輻射,也稱為宇宙背景輻射。

早在本世紀40 年代,伽莫夫等人根據熱大爆炸宇宙學說的觀點,預言宇宙空間應該充滿著殘餘輻射,它們的溫度已經相當低了,大致為幾K 或至多幾十K。「K」是開氏溫標或者叫熱力學溫標中的溫度單位「開耳芬」的符號,正像我們用「℃」來表示攝氏溫標中的溫度的道理是一樣的。0 攝氏度(0℃)相當於273.15K,3K 相當於-270℃以下。

20 來年後,果然找到了這種殘餘輻射,實測結果與理論推算值大體相符,被稱為「微波背景輻射」。發現者是兩位美國工程師射電天文學家彭齊亞斯(1933-)和威爾遜(1936-)。當時他們都受聘在美國新澤西州普林斯頓附近的貝爾電話實驗室工作。

20世紀60年代初,美國科學家阿諾·彭齊亞斯和R.W.威爾遜為了改進衛星通訊,建立了高靈敏度的號角式接受天線系統。1964年,他們用它測量銀暈氣體射電強度時,發現總有消除不掉的背景雜訊。他們認為,這些來自宇宙的的波長為7.35厘米的微波雜訊相當於3.5K。1965年,他們又訂正為3K,並將這一發現公諸於世,為此獲得1978年諾貝爾物理學金獎。

2 微波背景輻射 -發展歷程

微波背景輻射微波背景輻射

上古時代,人們以為地球是宇宙的中心。在任何方向上背景都一樣的事實,對於他們而言毫不足怪。然而,從哥白尼③時代開始,我們就被降級為繞著一顆非常平凡的恆星公轉的一顆行星,而該恆星又是繞著我們看得見的不過是一千億個星系中的一個典型星系的外邊緣公轉。我們現在是如此之謙和,我們不能聲稱任何在宇宙中的特殊地位。所以我們必須假定,在圍繞任何其他星系的任何方向的背景也是相同的。這隻有在如果宇宙的平均密度以及膨脹率處處相同時才有可能。平均密度或膨脹率的大區域的任何變化都會使微波背景在不同方向上不同。這表明,宇宙的行為在非常大尺度下是簡單的,而不是混沌的。因此我們可以預言宇宙遙遠的未來。

19世紀以前,人們一直認為,從天上來到人間的唯一信息是天體發出的可見光,從來沒有人想到,天體還會送來眼睛看不見的「光」——可見光波段以外的電磁波。不過,到了20世紀60年代,人們已經開始通過大型無線電接收天線(射電望遠鏡)對宇宙天體發出的電磁波進行觀測。

1964年5月,美國貝爾實驗室的兩位研究人員——阿諾·彭齊阿斯和羅伯特·威爾遜為了檢驗一台巨型天線的低雜訊性能,而把天線對準了沒有明顯天體的天區進行測量,竟出乎意料地收到了相當大的微波雜訊。他們發現,無論把天線指向何方,總能收到一定的雜訊。這種波長為7.35厘米的微波雜訊既不是來自某個天體,也不是來自儀器的干擾,而是來自廣闊的宇宙空間,好像在宇宙空間存在著輻射背景。進一步的精確測量顯示,這種輻射的溫度相當於絕對溫度3K的黑體輻射。他們對自己的觀察結果雖然十分意外,卻一時無法解釋這多出來的溫度從何而來,所以沒有立即公布自己的發現。

其實,早在1946年,美國核物理學家伽莫夫就曾提出過一個虛擬的宇宙模型,認為宇宙起源於爆炸,作為大爆炸的遺迹,宇宙間可能存在著一種電磁輻射。1953年,他估計這種輻射溫度可能是5K,但是因為沒有實驗證實這一理論的正確性,一直被看作猜測,他的判斷未能引起人們的重視。

60年代,美國普林斯頓大學成立了一個由迪克領導的研究小組,對這一理論進行了多方面的探討。他們花了很多心血,卻一無所獲,伽莫夫的預言還是得不到確認。研究小組中的皮伯斯在一篇論文中預言,在3厘米波長處應該接收到10K的雜訊,這是一種殘留的熱背景輻射。

1965年,彭齊亞斯和威爾遜間接地獲悉了普林斯頓大學研究小組的工作后,喜出望外。他們打電話告訴迪克教授,迪克教授給了他一篇皮伯斯的論文。雙方經過深入討論后,彭齊亞斯和威爾遜初步斷定他們所觀察到的正是普斯頓大學研究的宇宙背景輻射;而迪克小組之所以探測不到微波背景輻射,是因為天線靈敏度不夠。彭齊亞斯和威爾遜撰寫了一篇只有600字的論文:《在4080兆赫處天線附加溫度的測量》,宣布了他們的成果。

由於宇宙背景輻射為大爆炸宇宙學理論提供了有力的證據,所以微波背景輻射的發現成為60年代世界天文學的「四大發現」之一。1978年,彭齊阿斯和威爾遜因此而榮獲了諾貝爾物理學獎。

3 微波背景輻射 -基本特徵

微波背景輻射微波背景輻射----基本特徵

微波背景輻射的最重要特徵是具有黑體輻射譜,在0.3~75厘米波段,可以在地面上直接測到;在大於100厘米的射電波段,銀河系本身的超高頻輻射掩蓋了來自河外空間的輻射,因而不能直接測到;在小於0.3厘米波段,由於地球大氣輻射的干擾,要依靠氣球、火箭或衛星等空間探測手段才能測到。從0.054厘米直到數十厘米波段內的測量表明,背景輻射是溫度近於2.7K的黑體輻射,習慣稱為3K背景輻射。黑體譜現象表明,微波背景輻射是極大的時空範圍內的事件。因為只有通過輻射與物質之間的相互作用,才能形成黑體譜。由於現今宇宙空間的物質密度極低,輻射與物質的相互作用極小,所以,我們今天觀測到的黑體譜必定起源於很久以前。微波背景輻射應具有比遙遠星系和射電源所能提供的更為古老的信息。

微波背景輻射的另一特徵是具有極高度的各向同性。這有兩方面的含義:①小尺度上的各向同性:在小到幾十弧分的範圍內,輻射強度的起伏小於0.2~0.3%;②大尺度上的各向同性:沿天球各個不同方向,輻射強度的漲落小於0.3%。各向同性說明,在各個不同方向上,在各個相距非常遙遠的天區之間,應當存在過相互聯繫。

除微波波段外,在從射電到γ射線輻射的各個波長上,大都進行過背景輻射探測,結果是微波波段的輻射最強,其強度超過其他所有波段的背景輻射的總和。微波背景輻射的發現被認為是二十世紀天文學的一項重大成就。它對現代宇宙學所產生的深遠影響,可以與河外星系的紅移的發現相比擬。當前,流行的看法認為背景輻射起源於熱宇宙的早期。這是對大爆炸宇宙學的強有力的支持。早在四十年代,伽莫夫、阿爾菲和海爾曼根據當時已知的氦丰度和哈勃常數等資料,發展了熱大爆炸學說,並預言宇宙間充滿具有黑體譜的殘餘輻射,其溫度約為幾K或幾十K。3K微波背景輻射的實測結果與理論預期大體相符。此外,還有用其他模型或機制來解釋微波背景輻射的宇宙學說。

4 微波背景輻射 -科學預測

微波背景輻射微波背景輻射

1934年,Tolman是第一個研究有關宇宙背景輻射的人。他發現在宇宙中輻射溫度的演化里溫度會隨著時間演化而改變;而光子的頻率隨時間演化(即宇宙學紅移)也會有所不同。但是當兩者一起考慮時,也就是討論光譜時(是頻率與溫度的函數)兩者的變化會抵銷掉,也就是黑體輻射的形式會保留下來。

1948年,由旅美的俄國物理學家伽莫夫帶領的團隊估算出,如果宇宙最初的溫度約為十億度,則會殘留有約5~10k 的黑體輻射。然而這個工作並沒有引起重視。

1964年,蘇聯的澤爾多維奇(Zel'dovich)、英國的霍伊爾(Hoyle)、泰勒(Tayler)、美國的皮伯斯(Peebles)等人的研究預言,宇宙應當殘留有溫度為幾開的背景輻射,並且在厘米波段上應該是可以觀測到的,從而重新引起了學術界對背景輻射的重視。美國的狄克(Dicke)、勞爾(Roll)、威爾金森(Wilkinson)等人也開始著手製造一種低雜訊的天線來探測這種輻射,然而另外兩個美國人無意中先於他們發現了背景輻射。

1964年,美國貝爾實驗室的工程師阿諾·彭齊亞斯(Penzias)和羅伯特·威爾遜(Wilson)架設了一台喇叭形狀的天線,用以接受「回聲」衛星的信號。為了檢測這台天線的噪音性能,他們將天線對準天空方向進行測量。他們發現,在波長為7.35cm的地方一直有一個各向同性的訊號存在,這個信號既沒有周日的變化,也沒有季節的變化,因而可以判定與地球的公轉和自轉無關。

起初他們懷疑這個信號來源於天線系統本身。1965年初,他們對天線進行了徹底檢查,清除了天線上的鴿子窩和鳥糞,然而雜訊仍然存在。於是他們在《天體物理學報》上以《在4080兆赫上額外天線溫度的測量》為題發表論文正式宣布了這個發現。

緊接著狄克、皮伯斯、勞爾和威爾金森在同一雜誌上以《宇宙黑體輻射》為標題發表了一篇論文,對這個發現給出了正確的解釋:即這個額外的輻射就是宇宙微波背景輻射。這個黑體輻射對應到一個3k的溫度。之後在觀測其他波長的背景輻射推斷出溫度約為2.7K。

宇宙背景輻射的發現在近代天文學上具有非常重要的意義,它給了大爆炸理論一個有力的證據,並且與類星體、脈衝星、星際有機分子一道,並稱為20世紀60年代天文學「四大發現」。

5 微波背景輻射 -研究成果

微波背景輻射微波背景輻射探測器

「微波背景輻射」是存在於整個宇宙空間的、各向同性的、在微波波段的電磁輻射,這是美國射電天文學家彭齊亞斯(ArnoPenzias, 1933~)和威爾遜(Robert Woodrow Wilson, 1936~)於1964年偶然發現的(詳見第三章第五節)。當時他們建立了一個靈敏度極高的定向接收系統來探測宇宙,發現從天空中任何方向都接收到一種強度完全相同的微波波段電磁輻射「干擾」,後來被認定這種輻射並非來自任何星系,而是存在於整個宇宙背景之中,因此稱它為宇宙背景輻射。他們做了大量的實驗又確認這種輻射相當於溫度為2.7K的輻射,彭齊亞斯和威爾遜因此而獲1978年度諾貝爾物理學獎金。

建立宇宙大爆炸學說的伽莫夫等人預言,作為大爆炸過程的遺迹,目前的宇宙中應該無處不有、各向同性地充滿了等效溫度大約為3K的黑體輻射。由於這輻射的峰值波長在1毫米附近,處於微波波段,故又稱為「微波背景輻射」。

令人遺憾的是,這一重要預言在提出后的10多年中竟未引起人們的認真關注。1964年,美國貝爾電話實驗室的彭齊亞斯和威爾遜,在新澤西州用一架雜訊極低的角狀反射天線測量高銀緯區(即銀河平面的以外區域)發出的射電波。這種測量最大的困難在於怎樣將有用的信號與來自大氣干擾、天線結構及放大電路的各種雜訊信號區分開來。在採用了種種降低雜訊的措施后,他們本打算驗證一下,在7.35cm 波長上天線自身的雜訊可以忽略不計,爾後再到21cm波長上去觀測星系的射電波。但是,出乎預料的事發生了:在7.35cm波長上,他們收到了相當強的與方向無關的微波雜訊。在隨後的一年裡他們進一步發現,這一微波雜訊既不隨時日變化,也不隨季節張落,它顯然不是來自銀河系,似乎來自更為廣闊的宇宙背景。

無線電工程師常用「等效溫度」描寫射電雜訊的強度。彭齊亞斯和威爾遜發現他們收到的微波射電雜訊的等效溫度在2.5-4.5K之間,但是他們並不清楚自己發現的意義。後來,普林斯頓大學的青年物理學家皮伯斯(P.E.J.Peebles)得知了這一消息,皮伯斯早先曾經在一次學術報告中發布,早期的宇宙應該留下一個10K的背景輻射(他將等效溫度估計高了)。

在得到消息的當時,普林斯頓大學的幾位實驗物理學家迪克(R.H.Dicke)、羅爾(P.G.ROLL)H和威金森(D.T.Wilkinson)正在著手裝置一架低雜訊的小型天線,以便觀測皮伯斯所說的早期宇宙遺留下來的輻射。在迪克等人尚未完成測量裝置之前,得知了彭齊亞斯和威爾遜的發現,立即認識到這正是他們夢寐以求的宇宙背景輻射。

微波背景輻射微波背景輻射探測器

為了「驗明正身」,20多年來,全世界天文學家對這種輻射的頻譜、方向及黑體輻射性進行了大規模的調查驗證,獲得了充分的數據支持。1972年,康奈爾火箭小組和麻省理工學院氣球小組在大氣層外測量的結果表明,輻射頻譜符合大約為3K的黑體輻射分佈。1974年一個伯克利氣球小組還肯定了在0.25-0.06cm 波段(即7.35cm之外),輻射譜偏離峰值後下降。

1989年,美國宇航局專門發射了宇宙背景探測者衛星,第一批外空間測量數據表明:在從0.5毫米到5毫米的整個波段上,該輻射的譜分佈與溫度為2.735±0.06k的理想黑體完全相合。

在扣除運動效應以後,天空不同方向的相對誤差小於十萬分之一。這就無容置疑地證明了微波背景輻射的黑體性和普遍性。微波背景輻射是宇宙大爆炸模型最令人信服的證據。

在現代宇宙學中這一發現可與宇宙膨脹的發現相媲美。如果說,哈勃的發現打開了宇宙整體動力學演化研究的大門,那麼彭齊亞斯和威爾遜的發現則打開了宇宙整體物理演化研究的大門。

經過了10年左右的多次反覆驗證,微波背景輻射被科學界完全確認。最初的發現者彭齊亞斯和威爾遜分享了1978年的諾貝爾物理獎金。

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