宇宙微波背景輻射的研究歷程

Posted on 2010/12/24 in 宇宙論, 宇宙論, 物理 with 沒有迴響 9,586 views

宇宙微波背景輻射 (Cosmic Microwave Background)的研究歷程
國立彰化高級中學物理科李明中老師/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯

根據宇宙形成的「大爆炸理論」，我們的宇宙是在 $$137$$ 億年前一次猛烈爆炸後形成，隨著宇宙不斷膨脹，溫度也逐步下降。宇宙誕生初期，壓力、密度皆極大，高能量光子充斥整個空間，與電子和質子不斷作用，這時期的宇宙是不透明的。

誕生後約四十萬年，宇宙平均溫度下降至約攝氏三千度，電子跟原子核首度結合成為電中性的氫之後，自由的帶電粒子數目銳減，由宇宙各處發射的光子從此可無拘無束地在遼闊的宇宙空間中奔馳，成為宇宙第一道光。

到今天，這宇宙第一道光依然存在，但波長因宇宙百億年來的膨脹而增長了約一千倍，成為宇宙的微波背景輻射(Cosmic Microwave Background – CMB)。測量這些溫度可以推算宇宙、銀河系以及星體形成的時間。

1934 年，Tolman發現在宇宙中輻射溫度的演化裡溫度會隨著時間演化而改變；而光子的頻率隨時間演化（即宇宙學紅移）也會有所不同。但是當兩者一起考慮時，也就是討論光譜時（是頻率與溫度的函數）兩者的變化會抵銷掉，也就是黑體輻射的形式會保留下來。

1948 年，美國物理學家伽莫夫（Gamow）、阿爾菲（Alpher）和赫爾曼（Hermann）估算出，如果宇宙最初的溫度約為十億度，則會殘留有約 $$5$$～$$10 K$$ 的黑體輻射。然而這個工作並沒有引起重視。

1964 年，蘇聯的澤爾多維奇（Zel’dovich）、英國的霍伊爾（Hoyle）、泰勒（Tayler）、美國的皮伯斯（Peebles）等人的研究預言，宇宙應當殘留有溫度為幾K的背景輻射，並且在厘米波段上應該是可以觀測到的，從而重新引起了學術界對背景輻射的重視。

美國的狄克（Dicke）、勞爾（Roll）、威爾金森（Wilkinson）等人也開始著手製造一種低噪聲的天線來探測這種輻射，然而另外兩個美國人無意中先於他們發現了背景輻射。

1964 年，美國貝爾實驗室的工程師彭齊亞斯（Penzias）和威爾遜（Wilson）架設了一台喇叭形狀的天線，用以接受「回聲」衛星的信號。為了檢測這台天線的噪音性能，他們將天線對準天空方向進行測量。

他們發現，在波長為 $$7.35~cm$$ 的地方一直有一個各向同性的訊號存在，這個信號既沒有周日的變化，也沒有季節的變化，因而可以判定與地球的公轉和自轉無關。起初他們懷疑這個信號來源於天線系統本身。

1965 年初，他們對天線進行了徹底檢查，清除了天線上的鴿子窩和鳥糞，然而噪聲仍然存在。於是他們在《天體物理學報》上以《在 $$4080$$ 兆赫上額外天線溫度的測量》為題發表論文正式宣布了這個發現。

不久狄克、皮伯斯、勞爾和威爾金森在同一雜誌上以《宇宙黑體輻射》為標題發表了一篇論文，對這個發現給出了正確的解釋，即：這個額外的輻射就是宇宙微波背景輻射。彭齊亞斯和威爾遜也因發現了宇宙微波背景輻射而獲得 1978 年的諾貝爾物理學獎。

1989 年美國航空太空總署（NASA）發射「宇宙背景探索者」（Cosmic Background Explorer – COBE），開展了對 CMB 精確及全面的研究。在 COBE 的偵察下，CMB 中的細微起伏逐漸顯現出來。CMB 中的起伏雖然輕微，但卻蘊含有關宇宙結構的第一手資料，是了解宇宙早期狀況、驗證及發展宇宙大爆炸理論的重要線索。

COBE 的成功不單令 CMB 研究躍居成新世紀天文學上的重要課題，同時亦為統籌 COBE 計劃中的美國太空總署天文物理學家馬瑟爾（John Mather）及專責量度 CMB 中細微溫度起伏的加州大學柏克萊分校的物理學教授史慕特（George Smoot）帶來 2006 年的諾貝爾物理學獎。

藉由 COBE 的探測，天文學界對宇宙形成初期的研究從多數以理論推測為主的研究，轉向直接觀測和測量的新時代。2001 年，美國航空太空總署的「威爾金森微波各向異性探測器」（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – WMAP）升空，它在溫度靈敏度、準確度上均較 COBE 優勝，而在空間解析度上更遠高於 COBE。而歐洲航空太空總署也於 2009 年發射普朗克衛星，更深度探索這個領域。

參考資料