圖片來源：ifa.hawaii.edu） 

　　  

　　創世的第一縷曙光 

　　神說：要有光。于是創世38萬年后，終于有了光。 

　　1964年，貝爾實驗室的工程師 Arno Penzias 和 Robert Wilson 正在調試一臺天線，發現無論如何都有一種背景噪聲，無論天線朝向哪個方向，甚至是清理了天線上的鳥糞、重新組裝了天線，都揮之不去。 

　　與此同時，有一伙天文學家卻在苦苦追尋宇宙大爆炸理論中所預言的宇宙背景輻射而求之不得。 

　　根據大爆炸學說，在創世大爆炸之初，尚未形成恒星與星系，宇宙中充斥著致密、高溫的氫等離子體以及輻射。隨著宇宙膨脹、冷卻，離子和電子幾乎在瞬間復合形成中性粒子，從此光子開始在宇宙中暢通無阻，而不是不斷被等離子體散射。這一事件稱為光子退耦，宇宙在這一刻突然變得透明，此時宇宙的年齡是38萬年。 

　　光子退耦時從混沌中走出來的光子，就帶著創世的信息，一直穿行在宇宙中，直到撞上人類的探測器。這種輻射就是“宇宙背景輻射”，就像大爆炸的遺產，所以又被稱為或者“遺留輻射”。 

　　宇宙的膨脹會使這些光子越來越暗，波長越來越長，能量越來越低，根據理論，當今的宇宙背景輻射應當相當于3K的黑體輻射，又叫“微波背景輻射”。 

　　工程師的事情很快被天文學家知道了，就這樣，人類看到了創世紀的第一縷曙光。1973年的諾貝爾物理學獎也授予了發現宇宙背景輻射的 Penzias 和 Wilson 。 


Penzias 和 Wilson 發現背景輻射的 Holmdel 喇叭形天線（圖片來源：NASA） 

　　  

　　宇宙背景輻射的不均勻性 

　　基于宇宙學基本原理，大尺度上，宇宙是均勻、各向同性的，所以宇宙背景輻射應當也是各向同性的。觀測結果也大體上如此，不過在幾乎均勻的基礎上，還是存在約5%的漲落。 

　　這些細微的不均勻性是由于背景光子在旅途中與天體發生了相互作用，故而也攜帶了這些天體的信息。所以微波背景光子就像信使一樣，給我們帶來宇宙深處的消息。2006年，諾貝爾物理學獎授予了精密測量了宇宙背景輻射的John Mather和George Smoot。針對宇宙背景輻射的不均勻性，目前有諸多理論。 


Plank衛星繪制的最新最高分辨率宇宙微波背景輻射圖（圖片來源：ESA/NASA/JPL-Calteck） 

　　  

　　Sunyaev-Zel'dovich 效應 

　　Sunyaev-Zel'dovich 效應指出了宇宙背景輻射的光子與星系團等天體中的高能電子發生逆康普頓散射而導致觀測到的溫度分布產生變化的現象。 

　　經過逆康普頓散射，高能電子的一部分能量轉移給了背景輻射中的低能光子，因而低能光子的數量減少，高能光子的數量增加，光子的總能量增加，背景輻射不再是理想的黑體輻射。 


ALMA（阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列）首次觀測到SZ效應（圖片來源：參考文獻[4]） 

　　  

　　重子聲波振蕩 

　　重子聲波振蕩（Baryon Acoustic Oscillations, BAO）是宇宙中可見的重子物質的規則周期性密度漲落。正如超新星可以作為標準燭光，重子聲學振蕩的物質成團性也可以作為測量宇宙學距離的標準尺。 

　　這個標準尺的長度（目前約4.9億光年）可以通過大尺度結構巡天來測量。通過對重子聲學振蕩的測量，我們可以更多地限制宇宙學參數，從而了解導致宇宙加速膨脹的暗能量的性質。 


重子聲波振蕩藝術效果圖（圖片來源：大科技）

　　  

　　積分Sachs-Wolfe效應 

　　宇宙不是完全均勻的，所以到處存在著引力勢阱。當背景輻射的光子掉進引力勢阱的時候就會獲得能量，爬出這個勢阱的時候就會損失能量。如果該勢阱不隨時間改變，正負抵消，光子的最終能量不會改變。 

　　在廣義相對論加物質密度等于臨界密度的平直宇宙學中，大尺度上-即線性區域里的引力勢的確不隨時間改變的，因此光子能量不變。但是，上述三個條件（平直宇宙、廣義相對論、物質主導）的任何一個得不到滿足 ，線性尺度上的引力勢就會隨時間改變，導致光子掉進勢阱時獲得的能量和爬出勢阱時損失的能量不能嚴格抵消，光子能量改變，造成背景輻射溫度的改變。這種新的微波背景各向異性，就是the integrated Sachs-Wolfe（ISW）效應，由天文學家R.K. Sachs和A.M. Wolfe于1967年提出。 

　　因為該效應是光子路徑上所有引力勢變化的累加效應，所以稱為積分Sachs-Wolfe效應，以便與由于光子最后散射面上引力勢變化引起的微波背景溫度擾動，即Sachs-Wolfe效應，相區分。 


WMAP衛星探測到的宇宙微波背景輻射的一個低溫區，懷疑由ISW效應引起（圖片來源：wikipedia） 

　　  

　　參考文獻 

　　[1] Penzias, Arno A., and Robert Woodrow Wilson. "A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s." The Astrophysical Journal 142 (1965): 419-421. 

　　[2] Mather, John C., et al. "Measurement of the cosmic microwave background spectrum by the COBE FIRAS instrument." The Astrophysical Journal 420 (1994): 439-444. 

　　[3] Sunyaev, R. A., and Ya B. Zel'Dovich. "Microwave background radiation as a probe of the contemporary structure and history of the universe." Annual review of astronomy and astrophysics 18.1 (1980): 537-560. 

　　[4] Birkinshaw, M., S. F. Gull, and H. Hardebeck. "The Sunyaev–Zeldovich effect towards three clusters of galaxies." Nature 309.5963 (1984): 34-35. 

　　[5] Sachs, Rainer K., et al. "Republication of: Perturbations of a cosmological model and angular variations of the microwave background (By RK Sachs and AM Wolfe)." General Relativity and Gravitation 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?BlogID=24697&PostID=20654389 

　　[9] http://www.dkj1997.com/?post=608 

宇宙微波背景輻射：創世第一縷曙光

圖文簡介

摘要：1964年，貝爾實驗室的工程師 Arno Penzias 和 Robert Wilson 正在調試一臺天線，發現無論如何都有一種背景噪聲，無論天線朝向哪個方向，甚至是清理了天線上的鳥糞、重新組裝了天線，都揮之不去。與此同時，有一伙天文學家卻在苦苦追尋宇宙大爆炸理論中所預言的宇宙背景輻射而求之不得。工程師的事情很快被天文學家知道了，就這樣，人類看到了創世紀的第一縷曙光。1973年的諾貝爾物理學獎也授予了發現宇宙背景輻射的 Penzias 和 Wilson 。