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宇宙微波背景辐射

时间:2013-10-05来源:机器视觉网http://shixinhua.com 作者:石鑫华机器视觉网 点击:

宇宙微波背景辐射

石鑫华机器视觉网:宇宙微波背景辐射(又称3K背景辐射)是一种充满整个宇宙的电磁辐射。特征和绝对温标2.725K的黑体辐射相同。频率属于微波范围。
根据WMAP对宇宙微波背景辐射的观测绘制的图像
根据WMAP对宇宙微波背景辐射的观测绘制的图像
 

预测

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)两者的变化会抵消掉,也就是黑体辐射的形式会保留下来。
1948年,美国物理学家伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼估算出,如果宇宙最初的温度约为十亿度,则会残留有约5~10k 的黑体辐射。然而这个工作并没有引起重视。1964年,苏联的泽尔多维奇、英国的霍伊尔、泰勒(Tayler)、美国的皮伯斯(Peebles)等人的研究预言,宇宙应当残留有温度为几K的背景辐射,并且在厘米波段上应该是可以观测到的,从而重新引起了学术界对背景辐射的重视。美国的狄克(Dicke)、劳尔(Roll)、威尔金森(Wilkinson)等人也开始着手制造一种低噪声的天线来探测这种辐射,然而另外两个美国人无意中先于他们发现了背景辐射。
 

研究史

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,清除了天线上的鸽子窝和鸟粪,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。
宇宙背景辐射的发现在近代天文学上具有非常重要的意义,它给了大爆炸理论一个有力的证据,并且与类星体、脉冲星、星际有机分子一道,并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。彭齐亚斯和威尔逊也因发现了宇宙微波背景辐射而获得1978年的诺贝尔物理学奖。
本图并列了研究本现象不同时期的设备与成果
本图并列了研究本现象不同时期的设备与成果。由上往下依序是彭齐亚斯和威尔逊时期,COBE时期、WMAP时期和COBRAS/SAMBA时期。
 

进一步的研究

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。
 

宇宙背景辐射的观测实验

COBE的成果

根据1989年11月升空的宇宙背景探测者(COBE,Cosmic Background Explorer)测量到的结果,宇宙微波背景辐射谱非常精确地符合温度为 2.726±0.010K 的黑体辐射谱,证实了银河系相对于背景辐射有一个相对的运动速度,并且还验证,扣除掉这个速度对测量结果带来的影响,以及银河系内物质辐射的干扰,宇宙背景辐射具有高度各向同性,温度涨落的幅度只有大约百万分之五。目前公认的理论认为,这个温度涨落起源于宇宙在形成初期极小尺度上的量子涨落,它随着宇宙的暴胀而放大到宇宙学的尺度上,并且正是由于温度的涨落,造成物质宇宙物质分布的不均匀性,最终得以形成诸如星系团等的一类大尺度结构。
2006年,负责COBE项目的美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特因其对“宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性”而获得诺贝尔物理学奖。

WMAP的发现

2003年,美国发射的威尔金森微波各向异性探测器对宇宙微波背景辐射在不同方向上的涨落的测量表明,宇宙的年龄是137±1亿年,在宇宙的组成成分中,4%是一般物质,23%是暗物质,73%是暗能量。宇宙目前的膨胀速度是每秒71公里每百万秒差距,宇宙空间是近乎于平直的,它经历过暴胀的过程,并且会一直膨胀下去。
宇宙背景探测者、威尔金森微波各向异性探测器和普朗克卫星分辨率比较
宇宙背景探测者、威尔金森微波各向异性探测器和普朗克卫星分辨率比较。
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