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宇宙微波背景辐射,揭秘宇宙的起源和宇宙的终极未来!

发布时间:2018-10-25 10:55:51  作者:宇宙探索  来源:宇宙探索  阅读:296

    宇宙微波背景辐射,揭秘宇宙的起源和宇宙的终极未来!
      几千年来,人类一直在思考宇宙,并试图确定它的真实范围。而古代哲学家认为世界由一个被天体海洋或某种以太包围的圆盘,金字塔或立方体组成,现代天文学的发展使他们开始关注新的领域。到了20世纪,科学家们开始明白宇宙究竟有多大(甚至可能无止境)。
      在向外看的过程中,在更深入的时间里,宇宙学家们发现了一些真正令人惊异的事情。例如,在1960年代,天文学家开始意识到在任何方向都可以探测到的微波背景辐射。被称为宇宙微波背景(CMB),这种辐射的存在帮助我们了解宇宙是如何开始的。
      说明:
      CMB本质上是电磁辐射,这是最早的宇宙学时代遗留下来的,贯穿整个宇宙。据信,它是在宇宙大爆炸后约38万年形成的,它包含了第一批恒星和星系是如何形成的微妙迹象。虽然这种辐射用光学望远镜是看不见的,但射电望远镜能够探测到射电光谱中微波区域最强的微弱信号(或辉光)。
      在距离地球138亿光年远的地方,可以看到CMB,这使得科学家们确定这是宇宙的真正年龄。然而,这并不能说明宇宙的真实程度。考虑到空间自早期宇宙以来就一直处于扩张状态,CMB只不过是我们所能看到的最遥远的时间。
      与大爆炸的关系:
      CMB是大爆炸理论和现代宇宙学模型(如λ-CDM模型)的核心。正如这个理论所说,当138亿年前宇宙诞生时,所有的物质都被浓缩在一个具有无限密度和极热的单点上。由于物质的极端热和密度,宇宙的状态是高度不稳定的。突然,这一点开始扩大,而我们所知道的宇宙开始了。
      此时,太空中充满了由质子、中子、电子和光子(光)组成的白热等离子体粒子的均匀辉光。在宇宙大爆炸之后的38万到1.5亿年之间,光子不断地与自由电子相互作用,并且不能走很远的距离。这就是为什么这个时代被俗称为“黑暗时代”。
      当宇宙继续膨胀时,它冷却到电子能够与质子结合形成氢原子(即重组期)。在没有自由电子的情况下,光子能够不受阻碍地在宇宙中运动,并且它开始像今天一样出现(即透明的和被光渗透)。在其间的数十亿年里,宇宙继续膨胀并大大冷却。
      由于空间的膨胀,光子的波长增长(变得‘红移’)到大约1毫米,它们的有效温度降低到仅略高于绝对零度--2.7开尔文(-270°C;-454°F)。这些光子充满了今天的宇宙,并以背景光的形式出现,可以在远红外和射电波长中探测到。
      研究历史:
      1948年,乌克兰裔美国物理学家乔治·加莫和他的学生拉尔夫·阿尔弗和罗伯特·赫尔曼首次提出了CMB存在的理论。这一理论是建立在他们对早期宇宙中轻元素(氢、氦和锂)核合成结果的研究基础上的。本质上,他们意识到为了合成这些元素的核,早期的宇宙需要非常热。
    宇宙微波背景辐射,揭秘宇宙的起源和宇宙的终极未来!
      宇宙大爆炸的时间线。宇宙中微子在CMB发射的时候就会影响它,直到今天为止,物理学一直在关注着它的其余演化过程。
      他们进一步推测,这一极热时期遗留下来的辐射将渗透到宇宙中,并且是可以探测到的。由于宇宙的扩展,他们估计这种背景辐射的低温为5K(-268℃;-450°F),仅比绝对零度高5度,这对应于微波波长。直到1964年,才发现了CMB的第一批证据。
      这是美国天文学家阿尔诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)使用狄克辐射计的结果,他们原本打算将该辐射计用于射电天文学和卫星通信实验。然而,在进行第一次测量时,他们发现天线温度超过4.2K,这是他们无法解释的,只能用背景辐射的存在来解释。由于他们的发现,彭齐亚斯和威尔逊于1978年被授予诺贝尔物理学奖。
      最初,对CMB的探测是不同宇宙学理论支持者之间争论的一个来源。大爆炸理论的支持者声称这是宇宙大爆炸遗留下来的“残余辐射”,而稳态理论的支持者则认为这是遥远星系散射星光的结果。然而,到了20世纪70年代,出现了一种有利于大爆炸解释的科学共识。
      由欧空局普朗克飞行任务获得的全天数据,显示了不同的波长
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      在八十年代,地面仪器对CMB的温差设定了越来越严格的限制。这些任务包括苏联在Prognoz 9号卫星(1983年7月发射)和NASA宇宙背景探测器(COBE)任务(其结果发表于1992年)。由于他们的工作,COBE小组在2006年获得了诺贝尔物理学奖。
      COBE还探测到了CMB的第一个声学峰值,即等离子体中的声学振荡,这对应于早期宇宙中由于引力不稳定而产生的大尺度密度变化。在接下来的十年里,许多实验相继进行,包括地面实验和气球实验,目的是为第一个声波峰值提供更精确的测量结果。
      第二个声学峰在几个实验中被试测到,但直到2001年威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)部署后才被确定。从2001年到2010年,当任务结束时,WMAP也探测到了第三个峰值。自2010年以来,多个特派团一直在监测CMB,以便更好地测量偏振和密度的小尺度变化。
      CMB的未来:
      根据不同的宇宙学理论,宇宙可能在某一时刻停止膨胀并开始逆转,最终导致另一次大爆炸--大坍缩理论。在另一种情况下,被称为大撕裂,宇宙的扩张最终将导致所有物质和时空本身被撕裂。
      如果这两种情况都不正确,并且宇宙继续以加速的速度扩张,那么CMB将继续红移到无法再探测到的点。在这一点上,它将被在宇宙中产生的第一束星光所取代,然后被假定将在宇宙的未来发生的过程所产生的背景辐射场所取代!!