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宇宙微波背景

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1、基本解释
2、详细解释

基本解释

   宇宙微波背景(cosmic microwave background radiation),散布于宇宙空间的微波辐射,显示了自大爆炸之后,宇宙在不断冷却的事实。

详细解释



   定义

  所谓宇宙背景辐射,是一群古老的光子。光的传播跟声音传播一样,需要一段时间传递。在一个山头打出的光,另一山头的人需一段时间后才能看到,因为光有一定的速度,因此我们所看到越远的东西,事实上是它越早之前发出的光,经过一段时间才到达你的眼睛。因此在宇宙中,当我们看越遥远的星体,看到的是它越早以前的样子,我们不仅看见140亿光年大小的宇宙,也可以看到140亿年前的宇宙。宇宙背景辐射是在宇宙大爆炸後10万年发出,经过140亿光年才到达地球。1992年美国太空总署人造卫星COBE第一次成功看到全天早期宇宙长相,记载各个不同方向上古老光子的强度,即各方向上宇宙140亿年前的长相。这项发现大大震撼了90年代的天文界,因为推翻了原来大家以为早期宇宙的光应是均匀分布的想法。

  研究科学专家

  首先发现宇宙微波背景辐射的两位工程师,原是要建造无线电天线,却因侦测到始终无法改善的杂讯,进而发现了宇宙微波背景辐射,在1965年发表相关论文,并在1967年获得诺贝尔物理奖。由1992年至今的10多年间,全世界有超过10个以上的观测实验,成功侦测到宇宙140亿年前的面貌。最近较为重大的发现,为美国航太总署的威金森微波异向性探测器(WMAP)侦测到宇宙140亿年前的详细面貌,解析度较之前改进许多。因此,1992年便成为现代宇宙学的起点。

  原理介绍

  科学推理

  宇宙学主要的观测证据即为宇宙背景辐射。因为我们知道宇宙在膨胀,当我们将时间往回推时,宇宙越缩越小,会发现宇宙早期压力、密度皆极大,当压力密度极大时,电子会游离出来,就像水在高温时变为水蒸气,光遇到电子会无法直线前进,被电子散射。如同透过水蒸气无法看到对面的人,因为光被水蒸气所散射。所以早期宇宙为不透明的宇宙。直到宇宙年龄10万年左右,膨胀使温度降到约3000度,电子与质子结合成为电中性的氢之後,光终於得以直线前进。所以我们现在只能看到宇宙大爆炸10万年後的宇宙,因为在此之前宇宙是不透明的。因为这些光已在宇宙中穿梭了140亿年,所以在这140亿年中,宇宙中发生的所有事情,皆可以藉由这些光得知。

  原理介绍

  这就如同观众与讲台萤幕的关系:若观众为地球,萤幕假设为最后散射面,若观众与萤幕之间有一苍蝇飞过,观众可以发现苍蝇的存在,因为萤幕的光可以把苍蝇照出来,但若萤幕与房间皆为黑暗,则苍蝇不会被发现,所以宇宙微波背景辐射可以说是提供了一个背景光,使140亿年来发生的事件皆可藉由这些背景光照射出来。为什麼星光不行呢?因为即使最早的星系也是在60、70亿年前形成的,最早的宇宙并没有星系。根据爱因斯坦的广义相对论,宇宙膨胀时会将光波的波长拉长,早期宇宙光波到达地球时,波长会被拉长数毫米,即为微波的范围,微波是肉眼无法看见的,否则在使用微波炉时,会看见微波炉是整个发亮的。因此要利用微波望远镜才能看到微波背景辐射。而所谓的「宇宙弦」概念如同冰块的断面,冰块的断面是因为水在降温的过程,不同区域结晶方向不同,所以产生断裂。宇宙弦的存在间接证明统一场论的存在,宇宙弦的寻找也是藉由宇宙背景辐射的观测。

  想像萤幕的光是均匀的,若观众与萤幕之间有一条宇宙弦垂直於地面存在,由左向右移动,会发现萤幕左半边的光变得比较亮,这是广义相对论告诉我们的结果,所以当光到达地球的过程中,如果有宇宙弦存在,我们会看见天空有某一半边比较亮。光学望远镜因口径有限,所以可以看到的距离有限,目前全世界最大望远镜为夏威夷茂纳开亚的10公尺凯克(Keck)望远镜。同样亮度的星若放在较远的距离,亮度会变得较暗,因此光学望远镜无法看到太暗的天体,但藉由宇宙微波背景辐射却可以看见。因为无论苍蝇介於萤幕与观众间的何处,萤幕的光皆会通过它,所以我们都可以看到那只苍蝇。因此无论该星有多暗、多远,即使再远也仍介於宇宙微波背景辐射与我们之间,所以透过观测宇宙微波背景辐射,我们可以看见全宇宙最早诞生的星系。

  此外我们还可以藉由宇宙微波背景辐射研究黑洞:若我们与宇宙背景辐射之间存在一巨大黑洞,会看见如同中间放了一个放大镜一样,中间部份被放大,这就是所谓「重力透镜效应」,简言之,若我们与遥远星间存在一巨大黑洞,根据广义相对论,光在通过强大重力场时,光的路径会偏折,所以对观测者而言,星星的位置会改变,如同放大镜的放大效应,可利用此原理来寻找黑洞。