| 单词 | 微波背景辐射 |
| 释义 | 【微波背景辐射】 拼译：microwave background radiation 又称宇宙背景辐射，来自宇宙空间背景的各向同性的微波辐射。1965年，美国彭齐亚斯(A．Penzias)和威尔逊(R．W．Wilson)在波长7．35cm上首次发现。因为这种辐射是温度近于2．76K的黑体辐射，所以习惯上又称为3K背景辐射。在X射线和γ射线波段上也观测到背景辐射，但在微波波段的辐射超过其他所有波段的背景辐射的总和。大多数宇宙学家认为微波背景辐射是原始火球大爆炸的余烬辐射，是人类能观测到的宇宙中最古老的信息。微波背景辐射的发现被认为是20世纪天文学上的一项重大成就，它对现代宇宙学所产生的影响可与河外星系的红移的发现相比拟，如果说哈勃的发现开启了探讨宇宙整体时空结构的大门，那么，彭齐亚斯和威尔逊的发现便是打开了研究宇宙整体物性演化的大门。为此，彭齐亚斯和威尔逊获得1978年度的诺贝尔物理学奖。 1948年，美国伽莫夫(G．Gamow)等人根据爱因斯坦(A．Einstein)的广义相对论，把当时的核物理和基本粒子的知识同宇宙膨胀模型相结合，提出了大爆炸理论。该理论认为宇宙起源于一个温度极高、体积极小的原始火球，在距今约200亿年前，火球爆炸了，膨胀成为今天的宇宙，并预言现在的宇宙空间应充满着残余辐射，其温度大致为几K或几十K。60年代初，美国的迪克(R．Dcke)出于对膨胀宇宙开端的考虑，沿着类似伽莫夫的思路，也得出了原始火球的概念，并领导一个研究小组着手制造一架射电望远镜寻找原始火球的辐射遗迹。差不多与此同时，彭齐亚斯和威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的号角式接收天线系统。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，噪声的信号强度等效于温度3．5K的黑体辐射，是各向同性的、无偏振，而且没有季节变化，这是什么原因造成的呢?他们无法作出解释。在别人的建议下，他们与迪克取得了联系，双方进行了互访。迪克及其研究小组最后确信，这种消除不掉的噪声，正是他们所预言并准备寻找的东西。1965年贝尔电话实验室和普林斯顿大学的科学家在美国《天体物理杂志》上同时发表了观测结果和理论解释。为了确证彭齐亚斯和威尔逊的发现，普林斯顿大学和其他地方的射电天文学家紧接着在0．3～75cm波长上进行了一系列的测量，所得结果都符合于温度2．7～3．0K的黑体辐射的普朗克分布。进入70年代后，美国和英国科学家用气球将红外探测器送入高空，测量了0．6～2．5mm波长上的辐射，除此之外，还利用星际空间中的分子，间接地测定短波范围的背景辐射强度，观测精度不断提高。1985年公布了1983年利用改进了的新辐射计和其他检测装备在0．33、0．9、3．0、6．3和12．0cm波段的巡天测量，求得的宇宙背景辐射的加权平均值是2．73±0．05K，与过去的结论一致。黑体谱现象表明，微波背景辐射是起源于很久以前的极大的时空范围内的事件。观测还表明，微波背景辐射具有很好的各向同性，来自不同方向的辐射的温度十分一致，定量地说各向异性不大于万分之一。如此高度同性的现象一方面说明这种辐射是属于宇宙的，支持了宇宙学原理，另一方面说明，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，这和大爆炸理论将微波背景辐射解释为“原始火球”的辐射遗迹的论点是吻合的。1970年，前苏联泽尔多维齐(Y．Zel’dovich)等人通过研究宇宙中的过程，指出微波背景辐射应当存在微小的非各向同性。探测微波背景辐射的各向异性是一个重要的观测宇宙学课题。1978年威尔金森(Wilkinson)和斯莫特(Smoot)发现了微波背景中存在偶极各向异性，即在一条过地球的直线的两个方向上辐射温度有千分之几的差异。但这种现象并未动摇各向同性的标准宇宙模型，它被解释为银河系正以每秒600km的速度朝室女座方向运动，那里有超星系团存在。1979年，梅尔奇奥里(Melchiori)又在微波背景中发现了幅度为1毫度的四极各向异性。这种各向异性不能再归因于观测者本身的相对运动，而必然要涉及宇宙本身的结构。然而，1983年鲁滨(Lubin)、费克逊(Fixsen)分别在北天球和南天、北天所做的背景辐射测量结果都没有证实四极各向异性的存在。目前还不能断言是否有四极各向异性，但已可肯定四极各向异性的幅度一定小于以前得到的结果。以前过高估计四极各向异性的原因，可能是没有考虑尘埃的影响。背景辐射的各向异性大小直接表明宇宙早期的均匀程度，并且对于检验各种大尺度结构形成理论是个重要的约束。现在已知的各向异性上限为十万分之五。然而，与微波背景辐射的性质相反，今天宇宙中的物质是相当不均匀的，本星系群周围的局部空间，星系分布明显不均匀，这是演化的后果，与反映早期宇宙特征的背景辐射不矛盾，但是如果存在100Mpc(Mpc为百万秒差距，1Mpc约等于300万光年)为尺度的结构不均匀，就要对传统概念提出挑战了。80年代后期根据若干选区的星系和星系团的三维空间分布，发现的延绵大约170Mpc，由星系和星系团集聚成的长城式链状结构，以及星系和星系团极稀少的空间巨洞，大尺度速度流等一系列现象都和微波背景辐射的各向同性，是标准的大爆炸宇宙学的一个基本的出发点，是宇宙在大尺度上均匀各向同性的一个最重要的“物证”的观点相驳。一些问题摆在宇宙学家面前：为什么宇宙中的发光物质在目前可见的所有范围内都表现出高度不均匀的各种结构，而反映更早期宇宙情况的微波背景辐射却是高度各向同性的?目前观测到的年龄最老的恒星包含了过量的重元素，其中至少有一部分应来自第1代恒星，第1代恒星应在红外波段有背景辐射，但为什么没观测到?宇宙微波背景辐射对黑体辐射谱的偏离反映了宇宙复合时期的物理过程，这些过程是怎样的，此外还有大尺度结构的起源和演化、大尺度流的起源、星系的起源和演化，暗物质的种类和分布等等，这些问题几乎都与宇宙背景辐射的更为广泛和细致的观测有关。1989年11月18日，美国国家宇航局用火箭将第一只探索宇宙早期现象的宇宙背景探测器(COBE)送到600km高的环地轨道。它载有3套设备：微波辐射计用来测量宇宙微波背景辐射在大尺度上的各向异性，精度可达10－6，比目前的精度高一个量级；远红外分光计的波段幅度从100μm～10mm，可以发现宇宙背景辐射与黑体辐射谱是否存在哪怕小到1／1000的差别；红外弥漫背景辐射计的通道范围为1～300μm，用以测量这一波段范围天空的绝对亮度，以期发现第1代恒星及其他一些源的红外辐射和它们的物理性质。1990年，COBE发送回来的第1批探测资料就表明，微波背景辐射的分布与温度为2．73K的黑体辐射曲线的吻合程度达99．75%，可以倾向地认为，偶极不对称性不是宇宙的固有特征，而是银河系以每秒300km的速度朝向狮子座之南一点的方向运动的结果。COBE获得的初步结果是很有意义的。譬如，它排除了用热星际介质来说明宇宙X射线背景的可能性，对复合时期的一些物理过程的强度也加上了严格的限制。由于COBE的仪器在较长的波长上不是很灵敏的，所以还不能放弃地面观测。美国和意大利已选择南极作为观测点，于1989年底在阿蒙森－斯科特南极站建立了工作波长在4～36cm的5个分立天线。可以预期COBE的巡天观测和地面高质量望远镜所作的微波测量，将使宇宙学家推求出高精度背景温度，算出更精确的宇宙学参数，为现代宇宙学理论模型的建立和完善提供新的观测判据。【参考文献】：1 李竞．天文爱好者，1986，2∶52 Simon M．Astronomy Now，1990，5∶153 Joseph S．Sky & Telescope，1990，6∶600～6034 潘容士．科学，1991，1∶595 李竞．现代物理知识，1992，2∶23～26(北京天文馆李芝萍撰) |
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