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本期為從哈勃到哈勃深空場第六篇，上一篇為：《從哈勃到哈勃深空場（五）—“瞎貓”撞“諾獎”》 彭齊亞斯和威爾遜無意之中發(fā)現了宇宙微波背景輻射，這一發(fā)現在近代天文學上具有非常重要的意義，它是大爆炸理論的一個最有力的證據。宇宙背景輻射與類星體、脈沖星、星際有機分子一道，并稱為20世紀60年代天文學“四大發(fā)現”。彭齊亞斯和威爾遜也因發(fā)現了宇宙微波背景輻射而獲得1978年的諾貝爾物理學獎。 致命一擊 宇宙微波背景輻射的發(fā)現對穩(wěn)恒態(tài)宇宙觀是一個致命的打擊，其代表人物霍伊爾（同時也是大爆炸理論Big Bang的命名人）試圖用別的理論來解釋背景輻射。比如說，他們認為，背景輻射也許是普通星系發(fā)出的光被宇宙塵埃吸收散射的結果。 這就需要對微波背景輻射更加精確的觀測。
進一步研究 繼彭齊亞斯和威爾遜之后各國天文學家在不同波段上對微波背景輻射做了大量的測量和詳細研究。
結果發(fā)現，宇宙微波背景輻射是一種彌漫在整個宇宙的電磁輻射，而且背景輻射和黑體輻射在一個相當寬的波段范圍內互相吻合，特征幾乎完全相同，對應溫度約2.7K（近似為3K），由于這個頻率在微波范圍內，所以稱為微波背景輻射。 視界問題—噩夢 宇宙微波背景輻射之所以能夠成為宇宙大爆炸的關鍵證據，不僅僅是因為它吻合了伽莫夫的預言，更重要的問題是，按照已觀測到的3K左右的溫度，相當于宇宙中任何一個地方都能接受到10個左右的光子每秒每平方厘米，考慮到宇宙的尺度如此之大，根本不可能存在一個輻射源能夠產生出如此巨量的能量。 這些光子只能是在宇宙爆炸之初誕生的。剛剛誕生時的宇宙集合了所有的這些光子，它像一個巨大的火球，而宇宙微波背景輻射則是宇宙在經過137億年的膨脹后剩下的余溫。我們在電視機中看到的雪花點中，就有百分之一是宇宙微波背景輻射。
這些古老的光子跨過了一百多億年的浩瀚時空，撞在我們生活的地球上，當我們研究這些時空旅行者時，我們其實也就在端詳著宇宙大約是137億年前的模樣。繼威爾遜和彭齊亞斯之后，全世界都投入了大量的人力物力，建造了一個又一個巨大無比的天文儀器。在隨后的十幾年中，對于宇宙微波背景輻射的實驗和理論研究是整個物理學和天文學最熱門的一個領域。 然而，地面上的大型天線觀測到的宇宙微波背景輻射在各個方向都毫無差異地驚人一致——3K，這就是背景輻射的各項同性。
然而隨著測量數據的越來越精細，人們卻越來越憂慮，背景輻射的各項同性正由驚喜慢慢變成噩夢。這意味著誕生時宇宙大火球的溫度極為驚人地均勻一致。從專業(yè)一點的角度來說，宇宙在10-15量級上都呈現出完美的各項同性。這一看起來著似乎是很正常的現象，卻透露十分兇險的信息。
實際上，相對論所說的光速極限是指宇宙間信息和能量的傳遞無法突破光速，而空間的相對遠離則完全可以超過光速的。也就是說，星系與星系之間的相對退行速度是不受光速極限束縛的，因為這里不存在信息和能量的傳遞。
現在，問題就很好解釋了，可以想象，宇宙在誕生之初，空間以超過光速的速度迅速膨脹，爆炸后的宇宙碎塊與碎塊之間的遠離速度超越了光速，這些碎塊與碎塊之間沒有發(fā)生任何的能量和信息交換，也就不可能發(fā)生熱量的傳導，但是我們觀測的結果卻是，所有的碎塊溫度都驚人的一致。
這個情況與當時理論計算的結果產生了嚴重的沖突。宇宙學家將這個問題稱之為視界問題。這個問題困擾了當時無數宇宙學家和物理學家。 可以想象，要么是愛因斯坦的廣義相對論出現了問題，要么是一直以來的宇宙大爆炸理論出現了問題，再或者，就是人們對宇宙微波背景輻射的溫度觀測還不夠精確。到底是哪里出了問題呢？科學家們寧愿相信后者。否則，整個20世紀辛辛苦苦建立的物理大廈將面臨著崩塌的危險。這將是幾代物理學家的噩夢。 宇宙背景探測者（COBE） 時間慢慢進入了七十年代，那正是航天事業(yè)蓬勃發(fā)展的時期，因此人們想到了在外太空中探測宇宙微波背景輻射。1974年，NASA公告了一個讓天文學家參與的中小型探險者計劃，這是大探險者計劃的一部分。新的探測計劃的實質是發(fā)射中小型探測器執(zhí)行宇宙（天文）探測任務。
該計劃由科學家提出探測提案，最終共獲得了121個提案，就在這區(qū)區(qū)121個提案中就有三個是研究宇宙微波背景輻射的。盡管最終被紅外線天文衛(wèi)星（IRAS）所取代，但這已經向NASA傳達了一個明確的信號：宇宙微波背景輻射探測勢在必行。
在1976年，美國國家航空航天局集合了1974年提出三個提案的團隊，提出了聯合概念衛(wèi)星計劃。1977年，新團隊提出可以用計劃建造的航天飛機或德爾塔火箭發(fā)射的極軌衛(wèi)星，新的衛(wèi)星稱為宇宙背景探測者（COBE），也稱為探險家66號 。
NASA接受了這項建議，但前提是項目費用應保持在3000萬美元以內，好在這3000萬不包括發(fā)射器和數據分析。但在當年，3000萬美元是筆很大的費用。
由于IRAS項目導致資源管理器項目費用超支，戈達德空間飛行中心(GSFC)建造衛(wèi)星的工作直到1981年才開始。為了節(jié)省成本，COBE上的紅外探測器和液氦罐采用與IRAS類似產品。
COBE最初計劃于1988年從范登堡空軍基地搭乘航天飛機入軌，但挑戰(zhàn)者號爆炸推遲了航天飛機停飛后的計劃。當時美國國內很多發(fā)射訂單都外包給國際伙伴，包括中國。NASA極力阻止COBE的工程師前往其他太空機構發(fā)射COBE。
最終，重新設計的COBE于1989年11月18日搭載著Delta火箭進入太陽同步軌道。入軌后的COBE以前所未有的精度（探測十萬分之一變化的能力）探索天空，并用無線電發(fā)回了宇宙背景輻射的最精確畫面。在美國物理學家約翰馬瑟（J.C. Mather)和喬治斯穆特(G.F. Smoot)的帶領下，有上千位天文和物理研究人員圍繞COBE展開研究。
在COBE繪制這幅微波背景輻射圖之前，人們尚不清楚為什么宇宙是由恒星和星系構成，而不是均勻分布的塵埃云。理論家們曾預言，對太空微波的精確測量將揭示溫度的微小波動，這種波動代表了早期宇宙物質密度的變化。密度較高的部分作為后來形成的星系的“種子”。而COBE最先對微波背景圖中溫度差異進行精確測量。
兩年后的1992年4月23日，這組科學家宣布一項激動人心的發(fā)現，他們在COBE的數據中發(fā)現了宇宙大爆炸時期的古老“種子”。證明了微波背景輻射來自空間的各個方向，且?guī)缀跏欠浅＞鶆虻模ㄓ惺治⑿〉母黜棶愋蕴卣?，?span style="letter-spacing: 0.54px;background-color: rgb(255, 255, 255);">和理論的預測值符合地幾乎完美），其能量相當于2.7K的溫度。這就說明宇宙微波背景輻射是一個完美的黑體輻射，它呈現著微弱的各項異性。
宇宙微波背景輻射中的溫度漲落終于找到了！這一消息被全世界認為是一項基礎性的科學發(fā)現，并在“紐約時報”的頭版刊登，像2016年引力波的消息一樣成了世界各大新聞媒體的頭條。整個科學界都為之興奮，因為這不僅僅意味著宇宙大爆炸模型的正確性，更是愛因斯坦廣義相對論的又一次重大勝利。COBE的發(fā)現更是極大地激發(fā)了科學家探測宇宙微波背景輻射的熱情。
必須說的是，馬瑟和斯穆特因COBE衛(wèi)星發(fā)現了宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性為有關宇宙起源的大爆炸理論提供了支持，獲2006年諾貝爾物理獎。 COBE探測器上的液態(tài)氦于1990年9月21日耗盡，由探測器上裝備的差比微波輻射儀繼續(xù)進行實驗，直到1993年12月23日之后這顆探測器被沃洛普斯飛行研究所當作工程訓練和測試衛(wèi)星使用。 往期精彩文章： 《從哈勃到哈勃深空場（四）—'A Day Without Yesterday'》 《從哈勃到哈勃深空場（一）—“男神帶你肉眼看（仙女座）星云”》 《衛(wèi)星導航定位先河--子午儀衛(wèi)星導航系統（7）》 《衛(wèi)星導航定位先河——淺談子午儀衛(wèi)星導航系統軍事之用》 《沉默的羔羊還是披著羊皮的惡狼？——淺析敘利亞戰(zhàn)場上安靜的S-400防空導彈系統》 《重型獵鷹初窺》 |
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