宇宙背景辐射是怎么被观测到的

星系尺度以下的宇宙结构的种子，是大爆炸瞬间微小的量子涨落种下的。为了研究宇宙的大尺度结构如何由这些种子长成，必须研究今天星系在空间如何分布。十多年前进行的星系巡天，揭示出一些包含很少星系的巨大空洞和另一些尺度达300亿光年的星系密度增高区域。过去十多年的星系巡天表明，这看来已是密度发生大涨落的极限尺度——在更大的尺度上，宇宙看来是平滑的。正在进行的巡天，特别是斯隆数字巡天（SDSS），将提供一幅精确得多的近邻宇宙中的星系分布图。

导致这种早期涨落的直接证据，铭刻在宇宙最古老的辐射——宇宙微波背景（CMB）之中。这种辐射是在大爆炸后仅数十万年时发出的，那时该辐射的温度比太阳表面低一些。由于宇宙膨胀引起的冷却，今天这种辐射的温度降低了约1000倍，即绝对零度以上约3度。1989年发射的宇宙背景探测者卫星（COBE）对这种辐射进行了非常精确的观测。该卫星的数据显示，这种辐射具有理论预言的黑体谱。COBE数据也揭示了辐射强度中微小的空间起伏，它所指示的密度涨落能够导致宇宙中观测到的大尺度结构。这组卫星观测首次为我们进行宇宙学推测的基本模式提供了直接的经验证据，并为该领域所有后续工作建立了定量基础。

按照设计，COBE卫星的角分辨率非常低，所以只能测量背景辐射中最大尺度的结构。背景辐射中较小尺度的特征依赖于宇宙中所含的物质和能量，结合SDSS和超新星搜寻之类较低红移的研究，这些数据可以用来确定宇宙的所有基本性质，包括它的年龄以及它所包含的物质和能量密度。新近的观测表明，物质和能量的总密度非常接近于使宇宙几何平坦所需的值。美国航空航天局（NASA）的MAP、ESA的Plank巡天卫星、地面宇宙背景成像器以及未来的气球观测将大大提高背景辐射研究的灵敏度。除了以更高的精度测量宇宙学基本参数以外，这些设备还将对若干流行的宇宙学理论提供严格的检验。地面研究将测量居间星系团内的热气体产生的背景辐射谱变形。结合Con-X对这种热气体性质的观测，研究人员将能测定这些星系团的距离，约束哈勃常数值，探测宇宙的大尺度几何。

宇宙微波背景的偏振是这些设备刚开始研究的一个方面。大爆炸后最初瞬间激发的引力波的影响会使背景辐射产生偏振。下一代CMB卫星可以更精确地测定这种偏振的性质，从而能直接检验流行的暴胀宇宙学模型，同时阐明早期宇宙中远超出地球上加速器所能达到的能量下发生的物理过程。