宇宙微波背景辐射：创世第一缕曙光

资料来源:ifa.hawaii.edu)

创造的第一个黎明

上帝说，“一定有光。”然后，在世界建立38万年后，终于有了光明。

1964年，贝尔实验室的工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊正在调试一个天线，发现在任何情况下都有一种背景噪音。不管天线朝向哪个方向，甚至天线上的鸟粪都被清理干净，天线被重新组装。

与此同时，一群天文学家正在努力寻找大爆炸理论中预测的宇宙背景辐射，他们对此无能为力。

根据大爆炸理论，恒星和星系不是在大爆炸开始时形成的，宇宙充满了稠密的高温氢等离子体和辐射。随着宇宙的膨胀和冷却，离子和电子几乎瞬间重组形成中性粒子。从那时起，光子开始不受阻碍地在宇宙中流动，而不是被等离子体散射。这一事件被称为光子解耦，此时宇宙突然变得透明，此时宇宙的年龄是38万年。

当光子与造物的信息解耦时，从混沌中出来的光子一直在宇宙中穿行，直到它们碰到人类探测器。这种辐射是“宇宙背景辐射”，就像大爆炸的遗留物一样，所以也被称为“残余辐射”。

宇宙的膨胀将使这些光子越来越暗，波长越来越长，能量越来越低。根据理论，今天宇宙的背景辐射应该相当于3K黑体辐射，也称为“微波背景辐射”。

天文学家很快就知道了工程师的问题，这样，人类在《创世纪》中看到了第一缕光。1973年诺贝尔物理学奖也授予了彭齐亚斯和威尔逊，因为他们发现了宇宙背景辐射。

彭齐亚斯和威尔逊发现了带有背景辐射的霍尔姆德尔喇叭天线(图像来源:美国航天局)

宇宙背景辐射的异质性

根据宇宙学的基本原理，宇宙在大范围内是均匀的和各向同性的，因此宇宙的背景辐射也应该是各向同性的。观察结果基本相同，但在几乎一致的基础上，仍有大约5%的波动。

这些细微的不均匀性是由于旅行中背景光子和天体之间的相互作用，从而携带了这些天体的信息。因此，微波背景光子，像信使一样，给我们带来来自宇宙深处的消息。2006年，诺贝尔物理学奖授予了精确测量宇宙背景辐射的约翰·马瑟和乔治·斯穆特。关于宇宙背景辐射的不均匀性有许多理论。

普朗克卫星绘制的最新最高分辨率宇宙微波背景辐射图(图片来源:欧空局/美国航天局/JPL-卡尔泰克)

Sunyaev-Zel'dovich效应

Sunyaev-Zel'dovich效应指出了这样一种现象，即观测到的温度分布由于从宇宙背景辐射的光子和星系团和其他天体中的高能电子的逆康普顿散射而改变。

通过逆康普顿散射，高能电子的一部分能量在背景辐射中被转移到低能光子，从而低能光子的数量减少，高能光子的数量增加，光子的总能量增加，背景辐射不再是理想的黑体辐射。

在阿尔玛(阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列)中首次观察到SZ效应(照片来源:参考文献

重子声波振荡艺术效果图(图片来源:大科技)

整合萨克斯-沃尔夫效应

宇宙并不完全一致，所以到处都有引力势阱。当背景辐射的光子落入重力势阱时，它们获得能量，当它们爬出这个势阱时，它们失去能量。如果势阱不随时间改变，正负抵消，光子的最终能量不会改变。

在广义相对论的直线宇宙学中，加上等于临界密度的物质密度，大尺度上的引力势——也就是说，在一个线性区域内——不随时间变化，所以光子能量不变。然而，如果不满足上述三个条件(直宇宙、广义相对论和材料优势)中的任何一个，线性标度上的引力势将随时间变化，导致光子落入势阱时获得的能量和它们爬出势阱时损失的能量不能被严格抵消，并且光子能量变化，导致背景辐射温度变化。微波背景的这种新的各向异性是综合的萨克斯-沃尔夫(ISW)效应，它是由天文学家萨克斯和沃尔夫在1967年提出的。

因为这种效应是光子路径上所有引力势变化的累积效应，所以它被称为积分萨克斯-沃尔夫效应，以区别于由光子最终散射表面上的引力势变化引起的微波背景温度扰动，即萨克斯-沃尔夫效应。

WMAP卫星探测到的宇宙微波背景辐射的低温区域，怀疑是由ISW效应引起的(图片来源:*)

参考

[1]彭齐亚斯、阿诺·阿和罗伯特·伍德罗·威尔逊。“在4080毫欧/秒时天线温度过高的测量”，《天体物理学杂志》142 (1965): 419-421。

[2]马瑟，约翰·c .等:“用COBE FIRAS仪器测量宇宙微波背景光谱。”天体物理学杂志420 (1994): 439-444。

[3]苏尼亚夫，共和党，和雅·布·泽多维奇。"微波背景辐射作为当代宇宙结构和历史的探测器."天文学和天体物理学年度评论18.1 (1980): 537-560。

[4]伯金肖，硕士，海鸥基金会，和哈德贝克。"苏尼耶夫-泽尔多维奇效应对三个星系团的影响."自然309.5963 (1984): 335。

[5]萨克斯，赖纳k .等:“宇宙模型的扰动和微波背景的角度变化的再版”(由r K萨克斯和AM沃尔夫合著)广义相对论和引力39.11 (2007): 1929-1961。

[6]https://en.wikipedia.org/wiki/Baryon_acoustic_oscillations

[7]https://en.wikipedia.org/wiki/CMB_cold_spot

[8]http://blog.tianya.cn/blogger/post_show.asp?博客=24697&PostID=20654389

[9]http://www.dkj1997.com/?邮报=608