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最可愛的人bsvu 2019-08-23

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本期為從哈勃到哈勃深空?qǐng)龅谄咂弦黄獮椋骸?a target="_blank">從哈勃到哈勃深空?qǐng)觯锕馇暗呢瑝?mèng)》

宇宙大爆炸時(shí)間線

大爆炸模型向人們提供了自大爆炸開始后百萬分之秒直到今天的演化過程。在宇宙極早期，大爆炸開始時(shí)距今約137億年前，此時(shí)宇宙體積極小，密度幾乎為原子核的密度，溫度極高溫度，達(dá)100億度以上，這時(shí)的宇宙為一個(gè)奇點(diǎn)。

宇宙大爆炸后的10-43秒溫度達(dá)到1032度，此后宇宙從量子漲落背景中出現(xiàn)。大爆炸后10-35秒，宇宙溫度約1027度，引力分離，夸克、玻色子、輕子開始形成。大爆炸后5-10秒，宇宙溫度降低到約1015度，此時(shí)質(zhì)子和中子形成。上圖是一位藝術(shù)家展示的不同量子漲落產(chǎn)生的“氣泡宇宙”，圖片由國家地理提供

大爆炸后0.01秒：約1000億度，物質(zhì)以光子、電子、中微子為主，其中質(zhì)子中子僅占10億分之一，熱平衡態(tài)，體系急劇膨脹，此后溫度和密度仍然不斷下降。大爆炸0.1秒后，宇宙膨脹使得溫度降到約300億度，中子質(zhì)子比從1.0下降到0.61。

大爆炸1秒后，宇宙溫度降到約100億度，中微子向外逃逸，正負(fù)電子湮沒反應(yīng)出現(xiàn)，核力尚不足束縛中子和質(zhì)子。大爆炸后13.8秒后：約30億度，氫、氦類穩(wěn)定原子核（化學(xué)元素）形成。

大爆炸后35分鐘后，宇宙溫度約3億度，原初核反應(yīng)過程停止，尚不能形成中性原子。中性原子的形成要等到大爆炸30萬年后，此時(shí)宇宙溫度降低到了3000度左右，此時(shí)化學(xué)結(jié)合作用使宇宙中的物質(zhì)由電離狀態(tài)轉(zhuǎn)化成中性原子的狀態(tài)，中性原子開始形成。

宇宙主要成分為氣態(tài)物質(zhì)，并逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體云塊，直至形成恒星和恒星系統(tǒng)。

大爆炸宇宙模型（The Big Bang）中, 在宇宙年齡約30萬年的時(shí)候，宇宙中的物質(zhì)由電離狀態(tài)轉(zhuǎn)化成中性原子的狀態(tài)，宇宙中的光子組分與實(shí)物退耦而變成微波背景輻射（CMB）。

對(duì)于給定的宇宙模型，物理學(xué)家們可以精確的計(jì)算出CMB各向異性的功率譜，它是與宇宙模型的基本參數(shù)有關(guān)的，因而通過精確的測(cè)量寬角度范圍的CMB功率譜，可以確定出各種宇宙模型的基本參數(shù)，判斷哪些宇宙的模型更好的描述著我們的宇宙，而通過這些基本參數(shù)，我們可以知道許多宇宙學(xué)中的基本問題，比如空間的幾何、宇宙中的物質(zhì)組分、大尺度結(jié)構(gòu)的形成和宇宙的電離歷史等。

上期（從哈勃到哈勃深空?qǐng)觯锕馇暗呢瑝?mèng)）講到1992年，NASA的COBE衛(wèi)星觀測(cè)表明CMB是我們可以在自然界測(cè)到的最完美的黑體輻射譜，并且第一次給出了CMB各項(xiàng)異性的證據(jù)。但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，COBE的角分辨率只有7度。

威爾金森微波背景輻射探測(cè)器

2001年6月30日，在佛羅里達(dá)州的卡納維拉爾角，德爾塔Ⅱ7425-10型火箭托舉著新的宇宙微波探測(cè)器升空

這顆名為威爾金森的各向異性探測(cè)器(WMAP)被德爾塔Ⅱ7425-10發(fā)射到第二拉格朗日點(diǎn)上，這是距離地球150萬公里遠(yuǎn)的、太陽與地球的引力平衡點(diǎn)。特殊的位置使威爾金森探測(cè)器永遠(yuǎn)躲在地球背影之中

衛(wèi)星的主體是一對(duì)1.4米×1.6米(4.6英尺×5.2英尺)背靠背的望遠(yuǎn)鏡，它們能夠從天空相距約140°的兩點(diǎn)收集微波輻射并直接傳入光學(xué)器件下面的10個(gè)接收器。

探測(cè)器以宇宙背景輻射的先軀研究者大衛(wèi)·威爾金森命名，搭載兩臺(tái)差比微波輻射儀

威爾金森宇宙微波探測(cè)器模型

WMAP是第一個(gè)從L2軌道運(yùn)行的飛行器。它被放在一個(gè)高度橢圓的駐留軌道，然后使用自己的助推器并借助月球重力進(jìn)行機(jī)動(dòng)飛行。月球借力飛行發(fā)生在2001年7月30日，10月1日WMAP到達(dá)L2拉格朗日點(diǎn)上的大李薩如軌道，距離地球150萬公里(932000英里)。每6個(gè)月WMAP進(jìn)行一次全天掃描。WMAP對(duì)整個(gè)天空的每一次觀測(cè)需要6個(gè)月的時(shí)間。WMAP繞L2軌道運(yùn)行一周需要六個(gè)月，衛(wèi)星還可以在每三個(gè)月左右獲得一次機(jī)動(dòng)變軌的機(jī)會(huì)。

上面軌道圖顯示了WMAP在六個(gè)月內(nèi)從整個(gè)天空收集數(shù)據(jù)的過程。因?yàn)閃MAP必須始終遠(yuǎn)離太陽（確保微波輻射觀測(cè)不受太陽直射影響），所以它不能看到天空的所有部分，直到它以與地球以一樣的速度圍繞太陽旋轉(zhuǎn)。

WMAP測(cè)到的全天的各向異性數(shù)據(jù)，要傳送回地球，經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)處理后，就像地圖（map）一樣，我們可以用這些數(shù)據(jù)繪制一幅關(guān)于全天輻射各向異性的圖（map），圖（map）上任一點(diǎn)記載著對(duì)應(yīng)的天空方向的溫度漲落。

該圖（map）用Molleweide投影的方法繪出，該方法把全天的各項(xiàng)異性信息映射到一個(gè)2:1的橢圓上，保持水平線是直線，子午線除中間一條外都是橢圓弧，并保持相鄰的平行線和子午線所包絡(luò)的面積不變。

彭齊亞斯和威爾遜制造的號(hào)角型射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的宇宙微波背景輻射在各個(gè)方向都毫無差異地驚人一致——3K，背景輻射呈現(xiàn)驚人的各項(xiàng)同性。COBE探測(cè)到的宇宙微波背景輻射呈現(xiàn)著微弱的各項(xiàng)異性，但是COBE角分辨率只有7度。而ＷMAP的角分辨率達(dá)到了驚人的13分，這使得微波背景輻射的觀測(cè)精度大為提高。

它的使命完成后，NASA已經(jīng)命令飛行器進(jìn)入圍繞太陽的永久性“死亡軌道”，于9月8日丟棄了推進(jìn)器。

WMAP，歷經(jīng)九年時(shí)間掃描和識(shí)別太空中宇宙微波背景輻射溫度的微小差異，繪制出宇宙在137億年歷史中的變化地圖，徹底改變了我們對(duì)宇宙的看法。WMAP是在2001年6月30日發(fā)射升空，它測(cè)量出至今最精確的宇宙年齡137.5億年，確定宇宙的組成是4.6%的一般的重子物質(zhì)，23%的暗物質(zhì)，72%的暗能量。

宇宙微波背景輻射探測(cè)精度愈來愈精確

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