宇宙微波背景辐射

宇宙微波背景辐射

宇宙微波背景辐射（又称3K背景辐射）是一种充满宇宙的电磁辐射。其特征和黑体辐射相同，频率属于微波范围。

1934年，Dolman成为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，温度会随着时间演化而改变；同时光子的频率随着时间演化（即宇宙学红移）也会有所不同。然而当两者一起考虑时，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，也即黑体辐射的形式会保留下来。

1948年，由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。但是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、美国的皮伯斯等人的研究提出，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能够观测到的，从而重新引起了学术界对背景辐射的重视。美国的狄克、劳尔、威尔金森等人也开始着手制造一种低噪声的天线来探测这种辐射，另外两个美国人却在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性能，他们将天线对准天空方向进行测量。结果发现，在波长为7.35era的地方始终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，所以可以判定与地球的公转和自转无关。

一开始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，但是噪声仍然存在。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》为题发表论文宣布了这个发现。

随后狄克、皮伯斯、劳尔和威尔金森在同一杂志上以《宇宙黑体辐射》为题发表了一篇论文，对这个发现给出了解释：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。之后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十分重要的意义，它给了大爆炸理论一个有力的证据，并且与类星体、脉冲星、星际有机分子并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。阿诺和威尔逊也由于发现了宇宙微波背景辐射而获得1978年的诺贝尔物理学奖。

后来人们在不同波段上对微波背景辐射做了许多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，同时在整个天空上是高度各相同性的，只是具有一个微小的偶极各相异性：在赤经11.3±O.1h，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导致的。

根据1989年11月升空的微波背景探测卫星测量的结果，宇宙微波背景辐射谱极其精确地符合温度为2.726±0.010K的黑体辐射谱，从而证实了银河系相对于背景辐射有一个相对的运动速度。同时还验证，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百万分之五。目前公认的理论认为，这个涨落起源于宇宙在形成初期极小尺度上的量子涨落，它随着宇宙的暴涨而放大到宇宙学的尺度上，并且正是因为温度的涨落，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一类大尺度结构。

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显示，宇宙的年龄是137±1亿年，在宇宙的组成成分中，4%是普通物质，23%是暗物质，73%是暗能量。宇宙如今的膨胀速度是71公里每秒每百万秒差距，宇宙空间是近乎于平直的，它经历过暴涨的过程，还会一直膨胀下去。