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  • 微波背景辐射

    微波背景辐射是宇宙中“最古老的光”,就是大爆炸的遗迹,穿越了漫长的时间与空间后成为了微波,充盈在整个宇宙空间里。需要注意不要把“大爆炸”理解为一般意义上的爆炸,比如从一个点炸裂开来四散辐射,因为大爆炸并不是在某个空间中的一点发生的,是大爆炸创造了空间本身。在宇宙中,微波背景辐射是均匀的,来自各个方向都一样,因此好比宇宙的“背景”。是来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射,也称为宇宙背景辐射。

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    基本简介/微波背景辐射 编辑

    微波背景辐射微波背景辐射

    微波背景辐射(microwave background radiation) 来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射,也称为宇宙背景辐射。

    早在本世纪40 年代,伽莫夫等人根据热大爆炸宇宙学说的观点,预言宇宙空间应该充满着残余辐射,它们的温度已经相当低了,大致为几K 或至多几十K。“K”是开氏温标或者叫热力学温标中的温度单位“开耳芬”的符号,正像我们用“℃”来表示摄氏温标中的温度的道理是一样的。0 摄氏度(0℃)相当于273.15K,3K 相当于-270℃以下。

    20 来年后,果然找到了这种残余辐射,实测结果与理论推算值大体相符,被称为“微波背景辐射”。发现者是两位美国工程师射电天文学家彭齐亚斯(1933-)和威尔逊(1936-)。当时他们都受聘在美国新泽西州普林斯顿附近的贝尔电话实验室工作。

    20世纪60年代初,美国科学家阿诺·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受天线系统。1964年,他们用它测量银晕气体射电强度时,发现总有消除不掉的背景噪声。他们认为,这些来自宇宙的的波长为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,为此获得1978年诺贝尔物理学金奖。

    发展历程/微波背景辐射 编辑

    微波背景辐射微波背景辐射

    上古时代,人们以为地球是宇宙的中心。在任何方向上背景都一样的事实,对于他们而言毫不足怪。然而,从哥白尼③时代开始,我们就被降级为绕着一颗非常平凡的恒星公转的一颗行星,而该恒星又是绕着我们看得见的不过是一千亿个星系中的一个典型星系的外边缘公转。我们现在是如此之谦和,我们不能声称任何在宇宙中的特殊地位。所以我们必须假定,在围绕任何其他星系的任何方向的背景也是相同的。这只有在如果宇宙的平均密度以及膨胀率处处相同时才有可能。平均密度或膨胀率的大区域的任何变化都会使微波背景在不同方向上不同。这表明,宇宙的行为在非常大尺度下是简单的,而不是混沌的。因此我们可以预言宇宙遥远的未来。

    19世纪以前,人们一直认为,从天上来到人间的唯一信息是天体发出的可见光,从来没有人想到,天体还会送来眼睛看不见的“光”——可见光波段以外的电磁波。不过,到了20世纪60年代,人们已经开始通过大型无线电接收天线(射电望远镜)对宇宙天体发出的电磁波进行观测。

    1964年5月,美国贝尔实验室的两位研究人员——阿诺·彭齐阿斯和罗伯特·威尔逊为了检验一台巨型天线的低噪声性能,而把天线对准了没有明显天体的天区进行测量,竟出乎意料地收到了相当大的微波噪声。他们发现,无论把天线指向何方,总能收到一定的噪声。这种波长为7.35厘米的微波噪声既不是来自某个天体,也不是来自仪器的干扰,而是来自广阔的宇宙空间,好像在宇宙空间存在着辐射背景。进一步的精确测量显示,这种辐射的温度相当于绝对温度3K的黑体辐射。他们对自己的观察结果虽然十分意外,却一时无法解释这多出来的温度从何而来,所以没有立即公布自己的发现。

    其实,早在1946年,美国核物理学家伽莫夫就曾提出过一个虚拟的宇宙模型,认为宇宙起源于爆炸,作为大爆炸的遗迹,宇宙间可能存在着一种电磁辐射。1953年,他估计这种辐射温度可能是5K,但是因为没有实验证实这一理论的正确性,一直被看作猜测,他的判断未能引起人们的重视。

    60年代,美国普林斯顿大学成立了一个由迪克领导的研究小组,对这一理论进行了多方面的探讨。他们花了很多心血,却一无所获,伽莫夫的预言还是得不到确认。研究小组中的皮伯斯在一篇论文中预言,在3厘米波长处应该接收到10K的噪声,这是一种残留的热背景辐射。

    1965年,彭齐亚斯和威尔逊间接地获悉了普林斯顿大学研究小组的工作后,喜出望外。他们打电话告诉迪克教授,迪克教授给了他一篇皮伯斯的论文。双方经过深入讨论后,彭齐亚斯和威尔逊初步断定他们所观察到的正是普斯顿大学研究的宇宙背景辐射;而迪克小组之所以探测不到微波背景辐射,是因为天线灵敏度不够。彭齐亚斯和威尔逊撰写了一篇只有600字的论文:《在4080兆赫处天线附加温度的测量》,宣布了他们的成果。

    由于宇宙背景辐射为大爆炸宇宙学理论提供了有力的证据,所以微波背景辐射的发现成为60年代世界天文学的“四大发现”之一。1978年,彭齐阿斯和威尔逊因此而荣获了诺贝尔物理学奖。 [1]

    基本特征/微波背景辐射 编辑

    微波背景辐射----基本特征微波背景辐射----基本特征

    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,因而不能直接测到;在小于0.3厘米波段,由于地球大气辐射的干扰,要依靠气球火箭或卫星等空间探测手段才能测到。从0.054厘米直到数十厘米波段内的测量表明,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的时空范围内的事件。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。由于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,所以,我们今天观测到的黑体谱必定起源于很久以前。微波背景辐射应具有比遥远星系和射电源所能提供的更为古老的信息。

    微波背景辐射的另一特征是具有极高度的各向同性。这有两方面的含义: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,在各个相距非常遥远的天区之间,应当存在过相互联系。

    除微波波段外,在从射电到γ射线辐射的各个波长上,大都进行过背景辐射探测,结果是微波波段的辐射最强,其强度超过其他所有波段的背景辐射的总和。微波背景辐射的发现被认为是二十世纪天文学的一项重大成就。它对现代宇宙学所产生的深远影响,可以与河外星系的红移的发现相比拟。当前,流行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的支持。早在四十年代,伽莫夫、阿尔菲和海尔曼根据当时已知的氦丰度和哈勃常数等资料,发展了热大爆炸学说,并预言宇宙间充满具有黑体谱的残余辐射,其温度约为几K或几十K。3K微波背景辐射的实测结果与理论预期大体相符。此外,还有用其他模型或机制来解释微波背景辐射的宇宙学说。[2]

    科学预测/微波背景辐射 编辑

    微波背景辐射微波背景辐射

    1934年,Tolman是第一个研究有关宇宙背景辐射的人。他发现在宇宙中辐射温度的演化里温度会随著时间演化而改变;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,由旅美的俄国物理学家伽莫夫带领的团队估算出,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(Zel'dovich)、英国的霍伊尔(Hoyle)、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开的背景辐射,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。

    1964年,美国贝尔实验室的工程师阿诺·彭齐亚斯(Penzias)和罗伯特·威尔逊(Wilson)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。

    紧接着狄克、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。这个黑体辐射对应到一个3k的温度。之後在观测其他波长的背景辐射推断出温度约为2.7K。

    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”。

    研究成果/微波背景辐射 编辑

    微波背景辐射探测器微波背景辐射探测器

    “微波背景辐射”是存在于整个宇宙空间的、各向同性的、在微波波段的电磁辐射,这是美国射电天文学家彭齐亚斯(ArnoPenzias, 1933~)和威尔逊(Robert Woodrow Wilson, 1936~)于1964年偶然发现的(详见第三章第五节)。当时他们建立了一个灵敏度极高的定向接收系统来探测宇宙,发现从天空中任何方向都接收到一种强度完全相同的微波波段电磁辐射“干扰”,后来被认定这种辐射并非来自任何星系,而是存在于整个宇宙背景之中,因此称它为宇宙背景辐射。他们做了大量的实验又确认这种辐射相当于温度为2.7K的辐射,彭齐亚斯和威尔逊因此而获1978年度诺贝尔物理学奖金。

    建立宇宙大爆炸学说的伽莫夫等人预言,作为大爆炸过程的遗迹,目前的宇宙中应该无处不有、各向同性地充满了等效温度大约为3K的黑体辐射。由于这辐射的峰值波长在1毫米附近,处于微波波段,故又称为“微波背景辐射”。

    令人遗憾的是,这一重要预言在提出后的10多年中竟未引起人们的认真关注。1964年,美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊,在新泽西州用一架噪声极低的角状反射天线测量高银纬区(即银河平面的以外区域)发出的射电波。这种测量最大的困难在于怎样将有用的信号与来自大气干扰、天线结构及放大电路的各种噪声信号区分开来。在采用了种种降低噪声的措施后,他们本打算验证一下,在7.35cm 波长上天线自身的噪声可以忽略不计,尔后再到21cm波长上去观测星系的射电波。但是,出乎预料的事发生了:在7.35cm波长上,他们收到了相当强的与方向无关的微波噪声。在随后的一年里他们进一步发现,这一微波噪声既不随时日变化,也不随季节张落,它显然不是来自银河系,似乎来自更为广阔的宇宙背景。

    无线电工程师常用“等效温度”描写射电噪声的强度。彭齐亚斯和威尔逊发现他们收到的微波射电噪声的等效温度在2.5-4.5K之间,但是他们并不清楚自己发现的意义。后来,普林斯顿大学的青年物理学家皮伯斯(P.E.J.Peebles)得知了这一消息,皮伯斯早先曾经在一次学术报告中发布,早期的宇宙应该留下一个10K的背景辐射(他将等效温度估计高了)。

    在得到消息的当时,普林斯顿大学的几位实验物理学家迪克(R.H.Dicke)、罗尔(P.G.ROLL)H和威金森(D.T.Wilkinson)正在着手装置一架低噪声的小型天线,以便观测皮伯斯所说的早期宇宙遗留下来的辐射。在迪克等人尚未完成测量装置之前,得知了彭齐亚斯和威尔逊的发现,立即认识到这正是他们梦寐以求的宇宙背景辐射。

    微波背景辐射探测器微波背景辐射探测器

    为了“验明正身”,20多年来,全世界天文学家对这种辐射的频谱方向及黑体辐射性进行了大规模的调查验证,获得了充分的数据支持。1972年,康奈尔火箭小组和麻省理工学院气球小组在大气层外测量的结果表明,辐射频谱符合大约为3K的黑体辐射分布。1974年一个伯克利气球小组还肯定了在0.25-0.06cm 波段(即7.35cm之外),辐射谱偏离峰值后下降。

    1989年,美国宇航局专门发射了宇宙背景探测者卫星,第一批外空间测量数据表明:在从0.5毫米到5毫米的整个波段上,该辐射的谱分布与温度为2.735±0.06k的理想黑体完全相合。

    在扣除运动效应以后,天空不同方向的相对误差小于十万分之一。这就无容置疑地证明了微波背景辐射的黑体性和普遍性。微波背景辐射是宇宙大爆炸模型最令人信服的证据。

    在现代宇宙学中这一发现可与宇宙膨胀的发现相媲美。如果说,哈勃的发现打开了宇宙整体动力学演化研究的大门,那么彭齐亚斯和威尔逊的发现则打开了宇宙整体物理演化研究的大门。

    经过了10年左右的多次反复验证,微波背景辐射被科学界完全确认。最初的发现者彭齐亚斯和威尔逊分享了1978年的诺贝尔物理奖金。 [3]

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    参考资料
    [1]^引用日期:2009-12-18
    [2]^引用日期:2009-12-18
    [3]^引用日期:2009-12-18

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