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宇宙微波背景辐射

/cosmic microwave background radiation/
条目作者郭宗宽

郭宗宽

最后更新 2022-01-20
浏览 518
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在宇宙复合过程中残余下来的热辐射。

英文名称
cosmic microwave background radiation
所属学科
物理学

在大爆炸理论中,随着宇宙的膨胀,温度在不断降低。当温度降到大约4000开(大约0.4电子伏)时,质子和电子开始复合成中性氢,自由电子的数密度迅速减少,光子与电子的散射概率随之降低。当温度降到大约3000开(大约0.26电子伏,相应的红移大约为1100,相应的宇宙年龄大约为37万年)时,由于宇宙的膨胀,光子与电子不再产生相互作用,光子的平均自由程大于哈勃尺度,宇宙变得透明。这些光子经过大约138亿年到达探测器,温度变成大约2.73开,从各个方向到达探测器的光子来自一个红移为1100的最后散射面。宇宙微波背景辐射在宇宙任何空间和任何方向测量都有相同的温度,这与宇宙学原理是一致的。

1964年美国贝尔实验室的无线电工程师A.彭齐亚斯和R.W.威耳孙在测试卫星通信实验时意外地发现,在频率为4080兆赫上存在一个额外且没有时间变化的各向同性的微波背景辐射。这正是大爆炸宇宙学残余下来的宇宙微波背景辐射,他们因这一重大发现获得了1978年诺贝尔物理学奖。宇宙微波背景辐射的发现有力地支持了宇宙学原理,支持了大爆炸理论。1989年11月18日美国航空航天局发射了宇宙背景探测器(COBE)卫星来探测宇宙微波背景辐射的性质,取得了两个重大发现:第一个是宇宙微波背景辐射在相当宽的波段范围是一个非常完美的黑体谱,相应的温度大约为2.73开,这表明光子在复合之前与重子处于热平衡,与大爆炸理论的预言非常吻合;另一个是宇宙微波背景辐射的温度在不同方向存在十万分之一的涨落,这表明宇宙早期物质分布存在微弱的涨落。这两个重大发现使得两个研究组的首席J.C.马瑟和G.F.斯穆特获得了2006年诺贝尔物理学奖。继COBE卫星之后,有一系列地面的、气球承载的和空间的实验在不同尺度上探测宇宙微波背景辐射的各向异性。

宇宙微波背景辐射的各向异性在现代宇宙学中扮演着重要的角色。各向异性的物理起源仍然是一个开放的研究课题。主流观点认为,各向异性来自宇宙极早期的暴胀过程,暴胀预言的原初标量扰动(也称为原初曲率扰动)和原初张量扰动(也称为原初引力波)导致了宇宙微波背景辐射的温度涨落和极化。在标准宇宙学模型中,给定宇宙学参数的值,通过联合求解扰动的爱因斯坦场方程、非相对论物质的扰动的能动张量协变守恒方程和相对论物质的扰动的玻耳兹曼方程,可以数值计算宇宙微波背景辐射的温度和极化的角功率谱。但这里也需要考虑宇宙再电离和弱透镜效应对角功率谱的影响。通过数值计算并与实验数据比较,就可得到宇宙学参数的拟合值。尤其是美国航空航天局2001年6月发射的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)卫星提供了精确的实验数据,给出完美的宇宙学参数手册,把宇宙学带入了精确时代。对宇宙微波背景辐射温度的角功率谱的测量已经给出很高的精度,但仍未探测到原初引力波引起的B模极化。

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