宇宙微波背景輻射是20世紀(jì)60年代射電天文學(xué)得到的四大天文發(fā)現(xiàn)之一,。這一重大發(fā)現(xiàn)為宇宙大爆炸模型和宇宙暴脹理論提供了有利的證據(jù),,為觀測(cè)宇宙學(xué)開辟了一個(gè)新領(lǐng)域,,也為各種宇宙模型提供了一個(gè)新的觀測(cè)約束。
早在1948年,,宇宙大爆炸理論的先驅(qū)伽莫夫預(yù)言,,應(yīng)有宇宙大爆炸之后的熱輻射背景。而在十多年后,,美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師彭齊亞斯和威爾遜證實(shí)了宇宙背景輻射的存在,。
1964年,他們使用一架工作波段為7.35 cm 的低噪聲喇叭形反射天線,,與4號(hào)人造衛(wèi)星做通訊聯(lián)系,,進(jìn)行天體輻射的絕對(duì)測(cè)量。為了降低天線的噪聲水平,,他們進(jìn)行了一系列的測(cè)量,。據(jù)估計(jì),他們的天線對(duì)準(zhǔn)天空時(shí),,噪聲水平應(yīng)該只有0.3 K ,,但當(dāng)他們對(duì)銀河系平面進(jìn)行測(cè)量時(shí),卻吃驚的發(fā)現(xiàn)存在著6.7K的輻射,,而且這種輻射與方向無(wú)關(guān),。
經(jīng)過一年的反復(fù)測(cè)量,,扣除大氣吸收以及天線自身的影響,他們確認(rèn):存在著來(lái)自宇宙各個(gè)方向3.5 K 的微波背景輻射(溫度為3.5K的輻射極大波長(zhǎng)在微波),。1965年,,他們?cè)?/span>《天體物理雜志》上發(fā)表了《在4080MHz頻率上對(duì)天線過熱溫度的一次測(cè)量》,這一結(jié)果引起了天文界的極大關(guān)注,。此發(fā)現(xiàn)為宇宙大爆炸理論提供了強(qiáng)有力的證據(jù),奠定了現(xiàn)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ),。因此,,彭齊亞斯和威爾遜于1978年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
根據(jù)大爆炸宇宙學(xué)模型,,宇宙誕生的最初30萬(wàn)年里,,到處游蕩著稠密的自由電子,它們阻止光子有效地傳輸,,輻射不能自由穿行,,宇宙處于混沌和黑暗之中。到了第40萬(wàn)~70萬(wàn)年以后,,溫度降低到光子能量不足以擊散由氫,、氦原子核與電子自由結(jié)合成的氫、氦原子以及其他簡(jiǎn)單原子,,自由電子消失,,輻射可以自由穿行,并立即從宇宙各處迸發(fā)出來(lái),,這稱為光子與以原子為主的物質(zhì)粒子退耦,。混沌初開,,曙光驟現(xiàn),,這就是最早的宇宙背景輻射,也稱為原初輻射,。那時(shí)宇宙溫度是3000開,,輻射峰值波長(zhǎng)為1微米,在紅外波段,。從那時(shí)起到現(xiàn)在,,經(jīng)歷了130多億年,宇宙尺度膨脹了1000倍,,溫度下降了1000倍,,宇宙背景輻射的波長(zhǎng)也增加了1000倍,峰值波長(zhǎng)到了毫米波段(微波),,溫度為3開左右,。
1989年11月18日美國(guó)發(fā)射的宇宙背景輻射探測(cè)衛(wèi)星(COBE)的觀測(cè)表明,,在所觀測(cè)波段范圍內(nèi),宇宙微波背景輻射是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的黑體譜,,其對(duì)應(yīng)的普朗克溫度為T=2.735 K,,2002年更新的最終 結(jié)果將其修正為T=2.725K。排除觀測(cè)者自身運(yùn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)和其他天體的輻射,,宇宙背景輻射是均勻的和各向同性的,。1992年,COBE衛(wèi)星上的DMR探測(cè)器發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射有十萬(wàn)分之一的不均勻性,,這被宇宙學(xué)家稱之為“宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的種子”,。
2001年,美國(guó)又發(fā)射了精度更高的“宇宙微波輻射各向異性探測(cè)器”(WMAP),,最終給出的宇宙背景輻射溫度為Tcmb = (2.72548±0.00057) 開,,與COBE于2002年給出的最終結(jié)果高度一致。
(本回答主要參考了劉學(xué)富老師主編的《基礎(chǔ)天文學(xué)》,、蘇宜老師編著的《天文學(xué)新概論(第五版)》)
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