隐藏宇宙奥秘的古老之光

■张天蓉/文

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物理宇宙学的理论基于爱因斯坦的广义相对论，但真正让它登堂入室成为一门精准实验科学的功劳，要归于现代化的天文实验手段—探测卫星。其中宇宙背景探测者（COBE）功不可没。那是美国航空航天局在1975年专门为了研究CMB而开始设计的测试卫星，于1989年被送上太空。之后，又相继有了WMAP和Planck，第二第三代测试卫星。其基本目的都是为了更精确地测量CMB。

总结起来，COBE等测试卫星对现代宇宙学有三大贡献，上一篇中所介绍的对CMB黑体辐射谱的测量是其一，这一篇中要介绍的，是它的第二个功劳，有关CMB各向同性（异性）的测量。

测试卫星的第三个重要功劳是测量到完整的“宇宙红外背景辐射”。这也是宇宙背景辐射的一种，但辐射波长不是微波，而是在红外线的范围内。所谓背景辐射的意思是说它们来自四面八方，没有确定的发射源。天文学家们认为，红外背景辐射包含了恒星和星系形成时辐射的遗迹，以及宇宙中尘埃物质的辐射，它们对天文和宇宙学的研究也很重要，但这不是我们此篇要介绍的内容，暂且不表。

西方政府及科学界花费血本，制造发射数个测试卫星，就为了探测这些弥漫于空中的温度极低的微波-CMB，那是因为这些来自于宇宙之初的古老之光中，隐藏着宇宙演化的奥秘。

宇宙微波背景辐射是一种电磁辐射，黑体辐射谱线是它的频率特征，这个特征可以用一个温度值作为参数来表征，对CMB来说，这个温度是2.725K（約為零下 270℃）。除了频谱特征之外，CMB辐射还有它的时空特性。换言之，这种辐射是否随着时空而变化呢？时间效应便是上一篇中介绍过的137亿年中谱线的宇宙红移。那么，CMB随空间而变化吗？

空间性质有两个方面：均匀性和方向性。也就是说，从CMB测量到的黑体辐射温度T是否处处相同？是否各向同性？第一个问题没有太多疑问，COBE探测的结果主要是回答第二个问题。

图12-1中所示的CMB图所描述的便是从不同方向测量时得到的温度分布图。图中用不同的颜色代表不同的温度。椭圆中的不同点则对应于四面八方不同的观察角。

当CMB第一次被克劳福德山上的巨型天线捕捉到的时候，是均勻而各向同性的，各个方向测量到的辐射强度（可换算成温度）都是一样的，如图12-1a上方的第一个椭圆，均匀分布的颜色表明在各个方向接受到的CMB没有温度差异，这也正是当时确定它们是来自于“宇宙”本身而不是来自于某一个具体星系的重要证据。同时也在一定的近似程度上证实了爱因斯坦假设的宇宙学原理。

图12-1：微波背景辐射的方向性

虽然根据宇宙学原理：宇宙在大尺度下是均匀和各向同性的。但是，宇宙更小尺度的结构也应该在更为精密测量的CMB椭圆图上有所反应。果然不出所料，利用探测卫星在1992年和2003年探测到的CMB图便逐渐显现出了细致的结构，如图12-1a的下面两个图（2、3）所示，它们已经不再是颜色完全均匀的椭圆盘了。

首先，我们自己所在银河系的特定运动将会反映到CMB图中。比如说，地球、太阳、还有银河系，都处于不停的旋转运动中，不同方向观察到的CMB黑体辐射的温度应该被这些运动所影响。

图12-1b的左上图（1）描述的便是因为太阳系绕银河系旋转运动产生的多普勒效应，它使得CMB图印上了偶极化的温度分布。在图中45度线对应的两个观察方向上，因为相对运动方向相反，产生了辐射温度的微小差异，从图中的红绿蓝三种不同颜色可看出这种偶极效应，温度差别被三种颜色之差异放大了许多，实际上在图中，CMB的平均温度是2.725K，而用红色表示的最高温度，比较用蓝色表示的最低温度，不过只相差0.0002K而已。

银河系还在CMB图上盖上了另一个印记，那是由于银河系中星体的红外辐射的影响而产生的，图中表示为椭圆中间那条红色水平带子，见图12-1b右上图（2）。银河系整体呈圆盘状，太阳系位于圆盘的边缘，因而红外发射看起来像一条宽带子，正如我们仰头观看银河，看见的是一个光点密集的长条，均出于同样的道理。

天文学家们利用计算机技术，可以将银河系的两种印记从CMB图中除去，这样便得到了没有观察者所在星系标签的真正“宇宙微波背景”图，见图12-1b中的3和4。

精确测量的CMB，已经不是完全各向同性的均匀一片了，它们显示出复杂的各向异性图案。如何分析这些图案？它们来自何处？

图12-2：CMB携带着最后散射的信息以及137亿年宇宙演化的信息

上一篇中曾经介绍过，CMB是从大爆炸后38万年左右的“最后散射面”发出来的。在那之前，宇宙呈现一片混沌的等离子体状态，引力和辐射起主导作用。光子不断地被物质粒子俘获，与它们发生快速碰撞，使得光子无法长程传播，只是不断地湮灭和产生，从而使得对于后来的“观测者”来说（包括137亿年后的人类），38万年之前的宇宙是不透明的，看不见的。

直到“最后散射面”时代，物质的原子结构开始逐渐形成，质子和电子牵手结合起来，不再热衷于俘获光子，而让它们自由传播，因此而有了我们现在接受到的CMB，这也就是为什么我们在上一篇博文中将它们称之为“第一束光”的原因。

如图12-2中所示，对右边的观察者而言，图左的“最后散射面”犹如一堵墙壁，使得我们看不到墙壁后面的宇宙更早期景象。但是，这是一堵发光的墙壁，这些光从处于3000K热平衡状态的“墙壁”发射出来，大多数光子的频率在可见光范围之内，它们旅行了137亿年，不但见证了宇宙空间的膨胀，也见证了宇宙中恒星、星系、星系团形成和演化的过程。当它们来到地球被人类探测到的时候，自身也发生了巨大变化：波长从可见光移动到了微波范围，因而，人类将它们称之为“微波背景-CMB”。也许有读者会问：“如果在宇宙诞生后50亿年左右，有高等生物探测到这些光，性质又如何呢？”。不难推测，那时候接受到的这些“第一束光”，也应该符合黑体辐射的规律，但波长就不是在微波范围了，可能要被称之为“红外背景”，不过还必须与星体产生的红外背景区别开来！（红外线太多，不知道会不会被热死？想得到答案需要点计算。）。

从图12-2以及上文的描述，不难看出CMB巨大的潜力。这些光波不简单！它们就像是来自家乡的信使，能带给你母亲的思念，还能告诉你沿途的风景。CMB波也是这样，它们经过了漫长的历史旅程，从两个方面携带着宇宙的秘密：一是最后散射面上的信息，二是宇宙中天体形成的过程。这些信息印记在CMB中，使得它们不应该是完全均匀各向同性的图案。

首先解释第一个信息来源：最后散射面。刚才不是说，最后散射面是一个热平衡状态的“墙壁”吗？这似乎意味着散射面上每一点都是一样的，是一个光滑的墙壁，因而没有什么有用信息。但这种说法显然不会是物理事实，热平衡是一种动平衡的量子状态，必然包含着物质密度的量子涨落。从宇宙后来因为引力作用演化而形成星系结构这点也可以说明，最后散射面上一定包含着我们现在看见的宇宙的这种“群聚”结构的“种子”，否则怎么会演化成今天这种形态而不是别的形态呢？此外，即使是被不透明“墙壁”挡住了的“早期宇宙”，是否也有可能在墙壁上印上一点淡淡的“蛛丝马迹”？问题是这种“胚胎”带来的“种子”信息，会在CMB图上造成多大的差别？理论家往往总是先于实验观测而给出答案。早在1946年，前苏联物理学家Lifshitz曾经计算过这种温度的各向异性，他认为表现在CMB图案上应该造成10-3左右的起伏。

第二个信息来源则是因为CMB“途经”了宇宙后来的演化过程，如图12-2中从左到右，宇宙137亿年中经历的物理过程：原子形成、类星体、再电离、恒星、星系、星系团形成等，都应该在CMB上有所反应。打个比喻说，当人们观测发光的墙壁时，也应该观察到墙壁和观测者之间飞虫蝴蝶之类的动物投射的阴影。

以上两个原因都会造成CMB图的各向异性。物理学家们特别感兴趣“最后散射面”上的种子信息，它们将使我们观测到宇宙的“婴儿”时期，提供宇宙早期的信息。然而，从1965年CMB被发现，直到上世纪90年代初，25年的天文观测从未看到过CMB结果中显示各向异性的图案。即使科学家们认为微波测量的精度已经达到10-4，CMB的图像仍然是均匀一片，理论家们预言的天体“群聚结构的种子”迟迟不肯露面。

物理宇宙学家们坐不住了，他们未曾证实的预言逐渐变成了其他科学家挖苦嘲笑的对象。还好，没过多久，先进的科技便帮了他们的大忙：COBE传回了好消息！

1992年，主要负责这项研究的美国物理学家、伯克利大学教授乔治·斯穆特（George Smoot，1945年-）在分析了COBE三年中发回来的CMB数据之后宣布，他们最后绘制的全天宇宙微波背景辐射的分布图，显示出了CMB辐射中只有十万分之一的各向异性起伏（见图12-1b3），斯穆特将这个椭圆图形戏称为“宇宙蛋”【1】。

COBE的结果令物理界振奋，斯穆特团队的发现立即上了头条新闻，被霍金誉为“本世纪最重要的发现”。人们形容看到“宇宙蛋”的椭圆图，就像看到了“上帝的手”（笔者更喜欢将其比喻为看到了“上帝脸上的皱纹”）。后来，斯穆特和美国国家航空航天局航天中心的高级天体物理学家约翰·马瑟（John C. Mather，1945年-），共同分享了2006年的诺贝尔物理奖。

又是二十多年过去了，第三代的普朗克（Planck）测试卫星对CMB更为精准的测量进一步证实了宇宙大爆炸的标准模型，以及与早期宇宙有关的“暴涨理论”。物理宇宙学度过了20年的黄金时期，同时也面临着前所未有的严峻挑战。

参考资料：

【1】Smoot, George; Keay Davidson (1994). Wrinkles in Time.William Morrow & Company.

来源：张天蓉博士科学网博客