宇宙背景辐射

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宇宙背景辐射是来自宇宙空间背景上的各向同性或者黑体形式和各向异性的微波辐射,也称为微波背景辐射,特征是和绝对温标2.725K的黑体辐射相同,频率属于微波范围。
宇宙微波背景辐射产生于大爆炸后的三十万年。大爆炸宇宙学说认为,发生大爆炸时,宇宙的温度是极高的,之后慢慢降温,到现在(约150亿年后)大约还残留着3K左右的热辐射
中文名
宇宙背景辐射
别 称
3K背景辐射
特 征
绝对温标2.725K的黑体辐射相同
性 质
微波辐射

起因 编辑

1934年,Tolman发现在宇宙中辐射温度的演化里温度会随着时间演化而改变;而光子的频率随时间演化(即宇宙学红移)也会有所不同。但是当两者一起考虑时,也就是讨论光谱时(是频率与温度的函数)两者的变化会抵销掉,也就是黑体辐射的形式会保留下来。
1948年, 美国科学家阿尔弗(Ralph Alpher)和赫尔曼(Robert Herman)预言,宇宙大爆炸产生的残系辐射,由于宇宙的膨胀和冷却,它所具有的温度约为绝对零度以上5K(绝对零度等于零下273.15摄氏度,即-273℃),或者5K。但是他们的预言并未引起人们的普遍重视。[1]
二十世纪六十年代初,美国科学家彭齐亚斯和R.W.威尔逊为了改进卫星通讯,建立了高灵敏度的号角式接收天线系统。1964年,他们用它测量银晕气体射电强度。为了降低噪音,他们甚至清除了天线上的鸟粪,但依然有消除不掉的背景噪声。他们认为,这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K。1965年,他们又订正为3K,并将这一发现公诸于世,为此获1978年诺贝尔物理学奖[2]
宇宙微波背景辐射 宇宙微波背景辐射

发展 编辑

1964年,美国贝尔实验室的工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊架设了一台喇叭形状的天线,用以接受“回声”卫星的信号。为了检测这台天线的噪音性能,他们将天线对准天空方向进行测量。他们发现,在波长为7.35cm的地方一直有一个各向同性的讯号存在,这个信号既没有周日的变化,也没有季节的变化,因而可以判定与地球的公转和自转无关。起初他们怀疑这个信号来源于天线系统本身。
1965年初,他们对天线进行了彻底检查,发现天线上有一些鸟屎。他们清理了天线上的鸟屎,并且他们把鸽子杀了以壮大“研”气(研究的动力)。然而噪声仍然存在,于是他们在《天体物理学报》上以《在4080兆赫上额外天线温度的测量》为题发表论文正式宣布了这个发现。不久狄克、皮伯斯、劳尔和威尔金森在同一杂志上以《宇宙黑体辐射》为标题发表了一篇论文,对这个发现给出了正确的解释,即:这个额外的辐射就是宇宙微波背景辐射。
1965年,美国新泽西州贝尔实验室的两位无线电工程师阿尔诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)却意外地发现了这种宇宙辐射场,当时他们正在为跟踪一颗卫星而校准一具很灵敏的无线电天线。与此同时,在附近的普林斯顿大学,由罗伯特·迪克(Robert Dicke)领导的一个科学家小组已独立地重新发现了阿尔弗和赫尔曼早先作过的预言,并着手设计一台探测器以供搜索大爆炸的残留辐射。他们听说了贝尔实验室这台接收器中存在着无法阐明的噪声,并立即将它解释为源自大爆炸的残余辐射。它相当于在电磁波谱的微波部分波长为7.35厘米的某种无线电波信号;如果假设它是百人穿红衣冲击唐人街热辐射,那么它所具有的能量就相应于2.7K的温度--这与阿尔弗和赫尔曼富于灵感的估计非常接近。它被称为"宇宙微波背景辐射"。宇宙微波背景辐射的存在,给大爆炸理论以有力的支持。[1]
2010年12月有英国天文学家发表论文称,他们发现了我们所在宇宙很久之前曾受到其他平行宇宙“挤压”的证据。
英国伦敦大学物理与天文学学院的史蒂夫·菲尼和他的研究团队在研究了宇宙微波背景辐射图后得出了这一惊人结论。研究团队称,他们在图中发现了四个由“宇宙摩擦”形成的圆形图案,这表明我们的宇宙可能至少四次进入过其他宇宙。[3]

特征 编辑

微波背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射谱,在0.3-75厘米波段,可以在地面上直
百人穿红衣冲击唐人街 宇宙背景辐射 宇宙背景辐射
接测到;在大于100厘米的射电波段,银河系本身的超高频辐射掩盖了来自河外空间的辐射,因而不能直接测量;在小于0.3厘米波段,由于地球大气辐射的干扰,要使用气球、火箭或卫星等空间探测手段才能测量。
从0.054厘米直到数十厘米波段的测量表明,背景辐射是温度近于2.7K的黑体辐射,习惯称为3K背景辐射黑体谱现象表明,微波背景辐射是极大时空范围内的事件。因为只有通过辐射与物质之间的相互作用,才能形成黑体谱。现今宇宙空间的物质密度极低,辐射与物质的相互作用极小。
微波背景辐射的另一特征是具有极高的各向同性。这具有两方面的含义:①小尺度上的各向同性:在小到几十弧分的范围内,辐射强度的起伏小于0.2-0.3%;②大尺度上的各向同性:沿天球各个不同方向,辐射强度的涨落小于0.3%。
各向同性说明,在各个不同方向上,各个相距非常遥远的天区之间,应当存在过相互联系。微波背景辐射的发现被认为是二十世纪天文学的重大成就,它对现代宇宙学产生的深远影响,可以与河外星系的红移的发现相并论。
目前的看法认为背景辐射起源于热宇宙的早期。这是对大爆炸宇宙学的强有力支持。3K背景辐射与四十年代伽莫夫、海尔曼和阿尔菲根据当时已知的氦丰度和哈勃常数等资料预言宇宙间充满具有黑体谱的残余辐射理论相符。[4]

研究成果 编辑

背景图

2013年3月欧洲航天局21日在其巴黎总部公布了根据“普朗克”太空探测器传回数据绘
2013年最精确宇宙微波背景图
2013年最精确宇宙微波背景图 (2张)
制的宇宙微波背景辐射图,这幅迄今最精确的反映宇宙诞生初期情形的全景图几近完美地验证了宇宙标准模型。
这幅图根据欧航局2009年发射的“普朗克”探测器在头15个半月内收集的数据绘制而成,比美国航天局此前发射的宇宙背景探索者(COBE)卫星和威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)探测到的微波背景辐射更为精确,见证了宇宙诞生38万年后的情形。
除了以前所未有的精确度很好地验证了宇宙标准模型外,这幅图还反映出一些与现有宇宙理论不同之处,修正了人们此前的认识。根据“普朗克”探测器收集的数据,科学家对宇宙的组成部分有了新的认识,宇宙中普通物质和暗物质的比例高于此前假设,而暗能量这股被认为是导致宇宙加速膨胀的神秘力量则比想象中少,占不到70%。
此外,反映宇宙膨胀率的哈勃常数也被修正至67.15公里/(秒·百万秒差距),即一个星系与地球的距离每增加一百万秒差距(一秒差距约为3.26光年),其远离地球的速度每秒就增加67.15公里。这个数据意味着宇宙的年龄约为138.2亿年。
目前为科学界所普遍接受的宇宙起源理论认为,宇宙诞生于距今约137亿年前的一次“大爆炸”。宇宙微波背景辐射被认为是“大爆炸”的“余烬”,均匀地分布于整个宇宙空间。“大爆炸”之后的宇宙温度极高,之后30多万年,随着宇宙膨胀,温度逐渐降低,宇宙微波背景辐射正是在此期间产生的。
欧航局的“普朗克”探测器于2009年5月从法属圭亚那库鲁航天中心升空入轨,其主要任务是探测宇宙微波背景辐射,帮助科学家研究早期宇宙形成和物质起源的奥秘。2010年,欧航局根据“普朗克”探测器传回的数据绘制了首幅宇宙全景图,此次公布的宇宙微波背景辐射全景图是在宇宙全景图的基础上绘成的。[5]

其他成果

后来人们在不同波段上对微波背景辐射做了大量的测量和详细的研究,发现它在一个相当宽的波段范围内良好地符合黑体辐射谱,对应温度大约为2.7K(近似为3K),并且在整个天空上是高度各向同性的,只是具有一个微小的偶极各向异性:在赤经 11.3±0.1 h,赤纬 4±2°的地方温度略高,在相反的方向温度略低,人们认为这是由银河系运动带来的多普勒效应所引起的。
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参考资料
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计算机术语 自然学科 科技 理学 物理学