29.4: 宇宙微波背景

学习目标

在本节结束时，您将能够：

• 解释一下为什么我们可以观察到炎热的早期宇宙的余辉
• 讨论我们今天所看到的这种余辉的特性，包括它的平均温度和温度波动的大小
• 描述开放、平坦和弯曲的宇宙，并解释观测支持哪种类型的宇宙
• 总结一下我们目前对宇宙基本属性（包括其年龄和内容）的了解

对宇宙前几分钟的描述是基于理论计算得出的。 但是，至关重要的是，科学理论应该是可检验的。 它做出了什么预测？ 观察结果表明这些预测是准确的吗？ 宇宙最初几分钟理论的成功之一是正确预测了宇宙中的氦气量。

另一个预测是，宇宙历史上的一个重要里程碑发生在宇宙大爆炸大约38万年之后。 科学家们在这个早期阶段直接观察了宇宙的样子，这些观测结果为宇宙大爆炸理论提供了一些最有力的支持。 为了找出这个里程碑是什么，让我们来看看理论告诉我们宇宙大爆炸之后的头几十万年中发生了什么。

氦和锂的聚变是在宇宙大约 4 分钟时完成的。 然后，在几十万年之后，宇宙在某些方面继续像恒星的内部一样。 它仍然很热且不透明，辐射从一个粒子散射到另一个粒子。 电子 “沉淀下来” 并与特定的原子核相关联仍然太热了；这种自由电子在散射光子方面特别有效，因此可以确保在没有改变路径的情况下，早期宇宙中不会有辐射进入太远。 从某种意义上说，宇宙就像一场流行音乐会结束后的一大群人；如果你和朋友分开，即使他戴着闪光按钮，也无法透过密集的人群看见他。 只有在人群清理完毕后，他按钮上的灯光才会到达你。

宇宙变得透明

直到宇宙大爆炸几十万年后，当温度降至大约 3000 K，原子核的密度降至每立方厘米大约 1000 时，电子和原子核才设法结合形成稳定的氢和氦原子（上一节\(29.3.4\)中的图）。 由于没有自由电子可以散射光子，宇宙在宇宙历史上首次变得透明。 从那时起，物质和辐射相互作用的频率要低得多；我们说它们彼此解耦并分开进化。 突然之间，电磁辐射真的可以传播了，从那以后它一直在宇宙中传播。

宇宙背景辐射的发现

如果上一节中描述的宇宙模型是正确的，那么 —— 当我们在宇宙中向外看，因此可以追溯到很久以前 —— 炎热的早期宇宙的第一个 “余辉” 仍然可以被探测到。 对它的观察将非常有力地证明我们对宇宙如何演变的理论计算是正确的。 正如我们将看到的，我们确实探测到了在这个光子解耦时间发射的辐射，当时辐射开始在宇宙中自由流动，没有与物质相互作用（图\(\PageIndex{1}\)）。

图：\(\PageIndex{1}\)宇宙微波背景和云的比较。 (a) 在宇宙早期，光子（电磁能）从拥挤、炎热、带电的粒子上散射，如果不与另一个粒子碰撞，光子（电磁能）无法走得太远。 但是在电子和光子沉淀成中性原子之后，散射要少得多，光子可以远距离传播。 宇宙变得透明了。 当我们在太空中向外看，时光倒流时，在这段时间之后我们看不到回头。 (b) 这类似于我们在地球大气层看到云层时发生的情况。 云层中的水滴可以非常有效地散射光线，但是晴朗的空气可以让光线长距离传播。 因此，当我们仰望大气层时，我们的视野被云层挡住了，我们看不见云层之外的东西。

发现这个余辉最初是意外。 20 世纪 40 年代末，拉尔夫·阿尔弗和罗伯特·赫尔曼与乔治·加莫合作，意识到，就在宇宙变得透明之前，它一定是在大约 3000 K 的温度下像黑体一样辐射，氢原子可能开始形成的温度。 如果我们能在中性原子形成后立即看到这种辐射，它就会像一颗红色的恒星发出的辐射。 好像一个巨大的火球填满了整个宇宙。

但那是将近140亿年前的事了，与此同时，宇宙的规模扩大了一千倍。 这种膨胀使辐射的波长增加了1000倍（参见第29.2节\(29.2.6\)中的图）。 根据涉及波长和温度的维也纳定律，膨胀相应地将温度降低了1000倍（参见 “辐射和光谱” 一章）。

阿尔弗和赫尔曼预测，火球发出的光芒现在应该处于无线电波长，并且应该类似于温度仅比绝对零高出几度的黑体辐射。 由于火球在整个宇宙中无处不在，因此火球遗留的辐射也应该无处不在。 如果我们的眼睛对无线电波长很敏感，那么整个天空就会显得非常微弱地发光。 但是，在这些波长下，我们的眼睛看不见，在 Alpher 和 Herman 做出预测时，还没有仪器可以探测到光芒。 多年来，他们的预测被遗忘了。

20 世纪 60 年代中期，AT&T 贝尔实验室的 Arno Penzias 和 Robert Wilson 在新泽西州霍尔姆德尔建造了一个精致的微波天线（图\(\PageIndex{2}\)）来测量天文源，包括仙后座 A 等超新星残余物（参见《星之死》一章）。 他们被一些意想不到的背景噪音所困扰，就像收音机里微弱的静电一样，他们无法消除。 这种辐射令人费解的是，它似乎同时来自四面八方。 这在天文学中非常不寻常：毕竟，大多数辐射都有其最强的特定方向，例如太阳的方向、超新星残余物或银河系的圆盘。

图\(\PageIndex{2}\)罗伯特·威尔逊（左）和阿诺·彭齐亚斯（右）。 这两位科学家正站在喇叭形天线前，他们用它发现了宇宙背景辐射。 这张照片是在1978年他们获得诺贝尔物理学奖后拍摄的。

彭齐亚斯和威尔逊起初认为，任何看似来自四面八方的辐射都必须来自望远镜内部，因此他们拆开了所有东西来寻找噪音来源。 他们甚至发现有些鸽子栖息在喇叭形的大天线内，并留下了（正如彭齐亚斯精心指出的那样）“在天线内部涂上一层白色、粘稠的介电物质”。 但是，科学家们所做的任何事情都无法将背景辐射减少到零，他们很不情愿地接受了背景辐射必须是真实的，而且必须来自太空。

彭齐亚斯和威尔逊不是宇宙学家，但是当他们开始与其他科学家讨论他们令人费解的发现时，他们很快就联系了普林斯顿大学（距离酒店很短的车程）的一群天文学家和物理学家。 事实上，这些天文学家一直在重做 20 世纪 40 年代对 Alpher 和 Herman 的计算，还意识到解耦时间产生的辐射应该像无线电波的微弱余辉一样可以被探测到。 对这个宇宙微波背景 (CMB) ¹ 的观测温度的不同计算尚不确定，但所有预测值都将低于 40 K。

彭齐亚斯和威尔逊发现不同无线电波长下的强度分布对应于 3.5 K 的温度。这非常寒冷，比大多数其他天文测量更接近绝对零，这证明了空间（及其中的波浪）已经拉伸了多少。 他们的测量是用更好的仪器重复进行的，这使我们的读数为2.73 K，因此 Penzias 和 Wilson 非常接近。 将这个值四舍五入，科学家们经常提到 “3 度微波背景”。

地球和太空中的许多其他实验很快证实了彭齐亚斯和威尔逊的发现：辐射确实来自四面八方（它是各向同性的），并且非常精确地与宇宙大爆炸理论的预测相吻合。 彭齐亚斯和威尔逊无意中观察到原始火球发出的光芒。 他们在1978年因其工作获得了诺贝尔奖。 就在1966年去世之前，勒迈特得知他的 “消失的光彩” 已被发现和证实。

你可能会喜欢观看《三度》，这是一段来自贝尔实验室的26分钟视频，讲述了彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙背景辐射的情况（附有有趣的历史镜头）。

宇宙微波背景的特性

令天文学家担心的一个问题是，彭齐亚斯和威尔逊正在测量通过地球大气层填充空间的背景辐射。 如果那个大气层是无线电波的来源或者以某种方式影响了无线电波的测量结果怎么办？ 最好从太空测量这么重要的东西。

CMB 的首次精确测量是使用绕地球运行的卫星进行的。 它被命名为宇宙背景探测器（COBE），由美国宇航局于1989年11月发射。 它很快收到的数据显示，招商银行与温度为2.73 K的黑体的预期非常接近（图\(\PageIndex{3}\)）。 如果招商银行确实是宇宙开始后不久填满整个空间的热气所发出的红移辐射，那么这正是预期的结果

图：\(\PageIndex{3}\)宇宙背景辐射。 实线显示了温度为 2.73 K 的黑体的辐射强度应如何随波长的变化而变化。方框显示了 COBE 仪器在不同波长下测量的宇宙背景辐射强度。 合身非常完美。 当这张图首次在天文学家会议上展示时，他们起立鼓掌。

因此，对招商银行的测量得出的第一个重要结论是，我们今天的宇宙确实是从炎热、统一的状态演变而来的。 这一观测结果还为我们生活在不断变化的宇宙中的总体观念提供了直接支持，因为今天的宇宙比起初要凉爽。

招商银行的微小差异

甚至在COBE推出之前，就知道CMB具有极强的各向同性性。 事实上，它在各个方向上的均匀性是对宇宙学原理的最好证实之一，即宇宙是同质和各向同性的。

但是，根据我们的理论，当招商银行发射时，温度不可能完全均匀。 毕竟，CMB 是在解耦时从宇宙中粒子散射的辐射。 如果辐射完全平滑，那么所有这些粒子在太空中一定是绝对均匀地分布的。 然而，正是那些粒子变成了现在居住在宇宙中的所有星系和恒星（以及天文学学生）。 如果粒子完全平滑分布，它们就不可能形成宇宙中目前存在的所有大型结构——前几章中讨论的星系团和超级星团。

早期的宇宙肯定有微小的密度波动，这些结构可以从中进化。 密度高于平均水平的区域本来会吸引更多的物质，并最终长成我们今天看到的星系和星团。 事实证明，在我们看来，这些密度较高的区域似乎是较冷的地方，也就是说，它们的温度将低于平均水平。

温度和密度相关的原因可以用这种方式来解释。 在解耦时，空间中稍微密度较高的部分中的光子必须消耗部分能量才能逃避周围气体施加的引力。 在失去能量时，光子变得比去耦时的总体平均温度略低。 反之亦然，位于空间密度稍低的部分的光子在离开空间时损失的能量要少于其他光子，因此看起来比平均水平略高。 因此，如果当今星系的种子在招商银行发射时存在，那么当我们在天空中朝不同的方向观察时，我们应该会看到招商银行的温度略有变化。

使用COBE卫星数据的科学家确实在招商银行中发现了非常微妙的温差，约为10万分之一。 温度低于平均水平的区域有各种大小，但即使是COBE探测到的较冷区域中最小的区域也太大了，无法成为单个星系甚至超级星系团的前身。 这是因为 COBE 仪器 “视力模糊”（分辨率差），只能测量大片天空。 我们需要具有 “更清晰视野” 的仪器。

CMB的最详细测量结果是由比COBE最近发射的两颗卫星获得的。 其中第一颗卫星，即威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）航天器的结果已于2003年公布。 2015 年，普朗克卫星的测量结果将 WMAP 测量扩展到了更高的空间分辨率和更低的噪声（图\(\PageIndex{4}\)）。

图\(\PageIndex{4}\) CMB 观测结果。 这种比较表明，在对用于测量 CMB 的三颗卫星的观测中可以看到多少细节。 CMB 是我们宇宙中最古老的光的快照，在宇宙刚有 38 万年历史时就印在天空上。 1989年发射的第一艘航天器是美国宇航局的宇宙背景探测器（COBE）。 WMAP 于 2001 年推出，普朗克于 2009 年推出。 这三个面板显示了 10 平方度的全天空地图。 这张宇宙背景辐射图像（下图）是普朗克任务观测到的招商银行的全天地图。 地图中的颜色代表不同的温度：红色表示温暖，蓝色表示较冷。 这些微小的温度波动对应于密度略有不同的区域，代表着所有未来结构的种子：当今的恒星、星系和星系团。

理论计算表明，招商银行中热点和冷点的大小取决于宇宙的几何形状，因此也取决于其总密度。 （它应该这样做一点也不明显，需要一些非常漂亮的计算（远远超出我们文本的水平）才能建立联系，但是拥有这样的依赖性非常有用。） 我们在此讨论的总密度既包括宇宙中的质量量，也包括暗能量的质量当量。 也就是说，我们必须将质量和能量相加：普通物质、暗物质和加速扩张的暗能量。

要了解为什么这行得通，请记住（摘自《黑洞和曲面时空》一章），爱因斯坦用他的广义相对论证明了物质可以弯曲空间，曲率的大小取决于存在的物质的数量。 因此，宇宙中物质的总量（包括暗物质和暗能量的等效物质贡献）决定了空间的整体几何形状。 就像黑洞周围空间的几何形状有曲率一样，整个宇宙可能都有曲率。 让我们来看看可能性（图\(\PageIndex{5}\)）。

如果物质的密度高于临界密度，宇宙最终将崩溃。 在这样一个封闭的宇宙中，两条最初平行的光线最终会相遇。 这种几何被称为球面几何。 如果物质的密度不够关键，宇宙将永远膨胀。 两条最初平行的光线将发散，这被称为双曲线几何体。 在临界密度的宇宙中，两条平行的光线永远不会相遇，扩张只是在将来的某个时候才会停止。 我们称之为平坦的宇宙，你在高中时学到的那种欧几里得几何学适用于这种类型的宇宙。

人物\(\PageIndex{5}\)描绘整个宇宙的空间曲率。 物质和能量的密度决定了空间的整体几何形状。 如果宇宙的密度大于临界密度，那么宇宙最终将崩溃，据说空间像球体表面一样是封闭的。 如果密度正好等于临界密度，那么空间就像一张纸一样平坦；宇宙将永远膨胀，膨胀速度将在未来无限停滞。 如果密度低于临界值，则膨胀将永远持续下去，据说空间是开放的，像鞍座的表面一样呈负向弯曲（当你移动得更远时，会打开比你预期的更多的空间）。 请注意，每张图中的红线显示了每种空间中发生的情况——它们最初是平行的，但根据空间的曲率沿着不同的路径行驶。 请记住，这些绘画试图展示整个宇宙的空间是如何 “扭曲” 的，在我们人类占据的少量空间中，这在本地是看不到的。

如果宇宙的密度等于临界密度，那么招商银行中的热点和冷点的大小通常应约为一度。 如果密度大于临界值，则典型大小将大于一度。 如果宇宙的密度低于临界密度，那么结构就会显得更小。 在图中\(\PageIndex{6}\)，你可以很容易地看到差异。 WMAP 和 Planck 对 CMB 的观测证实了早些时候的实验，即我们确实生活在一个平坦的临界密度宇宙中。

图 CMB 观测结果与可能的宇宙模型的\(\PageIndex{6}\)比较。 宇宙学模拟预测，如果我们的宇宙具有临界密度，那么招商银行的图像将由大小约一度（底部中心）的热点和冷点主导。 另一方面，如果密度高于临界值（宇宙最终将崩溃），则图像的热点和冷点将大于一度（左下角）。 如果宇宙的密度低于临界值（并且膨胀将永远持续下去），那么结构就会显得更小（右下角）。 如测量结果所示，宇宙处于临界密度。 所示测量是由一台名为Boomerang（毫米银河系外辐射气球观测和地球物理学）的气球载仪器进行的，该仪器在南极洲飞行。 WMAP 和 Planck 随后进行的卫星观测证实了 Boomerang 的结果。

对普朗克数据分析得出的关键数字为我们提供了宇宙某些基本属性目前可用的最佳值：

• 宇宙时代：13.799±0.380亿年（注意：这意味着我们知道宇宙的年龄在3,800万年以内。 太神奇了！）
• 哈勃常数：67.31 ± 0.96 千米/秒/百万秒差距
• 宇宙含量中属于 “暗能量” 的比例：68.5% ± 1.3%
• 宇宙中物质含量的比例：31.5％±1.3％

请注意，哈勃常数的这个值略小于我们在本书中采用的 70 千米/秒/百万秒差距的值。 实际上，通过测量红移得出的值为 73 千米/秒/百万秒差距。 如今，现代宇宙学是如此精确，以至于科学家们正在努力解决这种差异。 这两个独立测量之间的差异如此之小，这实际上是一项了不起的成就。 就在几十年前，天文学家还在争论哈勃常数是大约50千米/秒/百万秒差距还是100公里/秒/百万秒差距。

对普朗克数据的分析还表明，普通物质（主要是质子和中子）占总密度的4.9％。 暗物质加上普通物质加起来占总密度的31.5％。 暗能量占剩余的68.5％。 宇宙处于解耦状态的时代，即招商银行的发射时代，为38万年。

也许WMAP的高精度测量和普朗克更高精度的测量得出的最令人惊讶的结果是没有意外。 自20世纪90年代末宇宙学家被超新星数据迫使宇宙学家朝这个方向前进以来，普通物质约为5％，暗物质约为25％，暗能量约为70％的宇宙学模型得以幸存。 换句话说，我们一直在描述的非常奇怪的宇宙，其内容中只有大约 5% 是由我们在地球上熟悉的那种物质组成的，实际上似乎是我们生活的宇宙。

招商银行发射后，宇宙继续膨胀并降温。 宇宙大爆炸发生后的4亿至5亿年，第一批恒星和星系已经形成。 在恒星内部的深处，物质被重新加热，核反应被点燃，我们在本书中讨论的较重元素的更渐进合成开始了。

我们在结束对早期宇宙模型的快速浏览时要提醒一下。 你一定不能把宇宙大爆炸看作是太空中的局部爆炸，就像爆炸的超级巨星一样。 没有边界，也没有爆炸发生的地点。 这是宇宙中随处可见的空间（以及时间、物质和能量）的爆炸。 当今存在的所有物质和能量，包括构成你的粒子，都来自宇宙大爆炸。 我们过去和现在都处于宇宙大爆炸之中；它无处不在。

关键概念和摘要

当宇宙变得足够凉爽以形成中性氢原子时，宇宙对辐射变得透明。 科学家们在炎热的早期宇宙中发现了这段时间的宇宙微波背景（CMB）辐射。 COBE 卫星的测量结果表明，招商银行的作用就像一个温度为 2.73 K 的黑体。招商银行的微小波动向我们展示了宇宙中大规模结构的种子。 对这些波动的详细测量表明，我们生活在一个临界密度的宇宙中，临界密度由31％的物质（包括暗物质）和69％的暗能量组成。 普通物质——我们在地球上发现的各种基本粒子——仅占临界密度的5％左右。 招商银行的测量结果还表明，宇宙已有138亿年的历史。

脚注

¹ 回想一下，微波位于电磁频谱的无线电区域。

词汇表

宇宙微波背景 (CMB)

来自四面八方的微波辐射，那就是宇宙大爆炸的红移余辉

平坦的宇宙

一个具有临界密度的宇宙模型，其中宇宙的几何形状是平坦的，就像一张纸一样

光子解耦时间

当辐射开始在不与物质相互作用的情况下在宇宙中自由流动时