宇宙背景辐射

关于宇宙的年龄，大爆炸的残留物能告诉我们什么？

■撰文：伊丽莎白·豪厄尔

宇宙背景辐射被认为是宇宙大爆炸或宇宙开始时遗留下来的辐射。根据该理论，当宇宙诞生时，它经历了快速的暴胀和膨胀。今天的宇宙仍在膨胀，膨胀的速度根据观察者观察的角度变化而有所不同。宇宙背景辐射代表了宇宙大爆炸留下的热量。

人类无法用肉眼看到宇宙背景辐射，但它在宇宙中无处不在。人类看不到它是因为它太冷了，只比绝对零度（零下273.15摄氏度）高2.725开尔文。这意味着它的辐射最明显的部分位于电磁波谱的微波段。

起源和发现

宇宙起源于138亿年前，而宇宙背景辐射可追溯至大爆炸后大约40万年。这是因为在宇宙的早期阶段，当它的大小只有今天的一亿分之一时，它处于极端高温状态——比绝对零度高2.73亿开尔文。

当时存在的任何原子都会迅速分解成小粒子（质子和电子）。来自宇宙背景辐射的光子（代表光量子或其他辐射的粒子）从电子中散射出来。“因此，光子在早期宇宙中漫游，就像光在浓雾中漫游一样。”美国宇航局解释说。

大爆炸后大约38万年，宇宙冷却到可以形成氢了。因为宇宙背景辐射中的光子几乎不受氢的撞击的影响，所以光子沿直线传播。宇宙学家称宇宙背景辐射中的光子最后一次撞击物质时为“最后散射面”；在那之后，宇宙就变得太大了。所以当我们绘制宇宙背景辐射图时，我们是在回顾大爆炸后的38万年，这之后对于光子而言，宇宙是透明的。

据美国宇航局称，美国宇宙学家拉尔夫·阿尔弗在1948年首次预测了宇宙背景辐射，当时他正与罗伯特·赫尔曼（Robert Herman）和乔治·伽莫夫（George Gamow）一起工作。该团队当时正在进行与大爆炸核合成（或宇宙中除了最轻的氢同位素之外的元素的产生）有关的研究。这种氢同位素是在宇宙历史的早期产生的。

但宇宙背景辐射最初是偶然发现的。1965年，贝尔电话实验室的两名研究人员（阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊）正在制造一个无线电接收机，他们对它接收到的噪音感到困惑。他们很快意识到这声音从天上传来，持续而稳定。与此同时，普林斯顿大学的一个团队（由罗伯特·迪克领导）正试图寻找宇宙背景辐射。迪克的团队听到了贝尔实验室的风声，意识他们已经发现了宇宙背景辐射。1965年，两个团队都迅速在《天体物理学期刊》上发表了论文，彭齐亚斯和威尔逊谈论了他们的发现，迪克的团队则解释了这个发现在宇宙背景下的意义（后来，彭齐亚斯和威尔逊都获得了1978年的诺贝尔物理学奖）。

更详细的研究

宇宙背景辐射对科学家很有用，因为它能帮助我们了解早期宇宙是如何形成的。它的温度是均匀的，只有精确的望远镜可以观测到微小的波动。“通过研究这些波动，宇宙学家可以了解星系的起源和星系的大尺度结构，他们可以测量大爆炸理论的基本参数。”美国宇航局写道。

在发现后的几十年里，人们陆续绘制了宇宙背景辐射的部分地图，但第一张基于太空的全天空地图来自美国宇航局的宇宙背景探索者卫星，该卫星于1989年发射，1993年停止了科学操作。这张宇宙的“婴儿照”，正如美国宇航局所说，证实了大爆炸理论的预测，也显示了以前没有见过的宇宙结构的线索。2006年，诺贝尔物理学奖被授予了宇宙背景探测者项目的科学家——美国宇航局戈达德太空飞行中心的约翰·马瑟（John Mather）和加州大学伯克利分校的乔治·斯穆特（George Smoot）。

2003年，威尔金森微波各向异性探测器提供了一张更详细的地图，该探测器于2001年6月发射，2010年停止收集科学数据。第一张照片将宇宙的年龄定在137亿年（这个测量结果后来被精确到138亿年），同时也揭示了一个惊喜：最古老的恒星在大爆炸大约2亿年后开始发光，远远早于所预测的。

科学家们继续跟进这些结果，研究了宇宙的早期膨胀阶段（宇宙形成后的万亿分之一秒），并对原子密度、块状宇宙以及宇宙形成后不久的其他特性给出了更精确的参数。他们还发现了天空两个半球的平均温度存在奇怪的不对称，以及一个比预期更高的“冷点”。威尔金森微波各向异性探测器团队因其工作获得了2018年基础物理学突破奖。

2013年，欧洲航天局的普朗克太空望远镜（即普朗克卫星）发布了数据，显示了迄今为止最高精度的宇宙背景辐射图像。科学家们利用这些信息揭开了另一个谜团：宇宙背景辐射在大角度尺度上的波动与预测不符。威尔金森微波各向异性探测器在不对称性和冷点方面的发现也得到了普朗克卫星的证实。普朗克卫星（在2009年至2013年期间运行）在2018年发布的最终数据显示了更多的证据，证明暗物质和暗能量——可能是宇宙加速背后的神秘力量——似乎确实存在。