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宇宙背景辐射(2)

时间:2010-01-29  归属:天体演化
从微波背景辐射的首次发现到获奖,中间相隔十多年。这段时间对于进一步重复检验这项发现并扩大相关的观测研究成果,是完全必要的。图5.10就是这段时间内所取得的宇宙背景辐射的频谱图。分别在不同波长上测量背景辐射的不同强度,就可以形成频谱(即波谱),其物理意义与光谱相同,只是现在的波长范围是落在无线电波段而不是可见光波段。图中的黑条块表示实测值,条块的长度表示可能的误差范围,例如彭齐亚斯和威尔逊在7.35cm波长上所测的(3.5±1.0)K,在图中是用(2.5~4.5)K所对应的相对强度表示的。由图可见,辐射强度极大值落在1mm波长附近,因大气吸收严重,在该峰值波长附近的结果需要在气球载望远镜上才能测得。波长更短的结果在气球载望远镜上也测不出来;而在波长更长的情况下,银河系的射电辐射会叠加进来,但其谱形很容易识别,如图中的虚线所示。图中的实曲线是温度为2.9K的理想黑体应当具有的连续辐射频谱,各个实测值都基本上落在这条曲线上,从而表明宇宙背景辐射相当于温度为2.9K的黑体辐射,误差小于3K黑体谱的10%,这是大爆炸理论最成功的预言之一。

大爆炸理论认为,大爆炸后出现的原始火球,它所发出的强烈光辉会随着宇宙的膨胀而日益暗淡下来。这相当于随着宇宙空间的增大,单位体积内所含的光子数会越来越少,即背景辐射的温度会越来越低,至今已低到不足3K了。因此,今天所观测到的宇宙背景辐射正是宇宙早期原始火球的遗迹,即由背景辐射的情况可以推知宇宙早期的有关情况。例如,由背景辐射的各向同性可以推知宇宙早期的物质分布必然是均匀的和各向同性的。这里的问题是,宇宙是怎样由早期的均匀各向同性结构演化成现在这样具有星系、恒星和行星等天体的极不均匀的结构?看来还得对宇宙背景辐射做精度更高的测量,才有可能作出更好一些的回答。美国国家宇航局(NASA)于1989年发射升空的宇宙背景探测器(COBE)卫星,就是为此目的而开始工作的。图5.11表示COBE卫星在90年代初取得的第一批探测成果。图中的横轴表示频率,并以(周/cm)为单位;这相当于探测的波长范围是从30cm一直延伸到0.05cm,这只有在大气外才能做到。纵轴的亮度表示辐射强度。黑圆点代表观测值,平滑曲线代表最佳拟合的黑体谱。结果表明,宇宙背景辐射极精确地相当于温度为(2.736±0.017)K的黑体辐射,即COBE卫星发现的宇宙背景辐射温度的涨落是很小的——仅为十万分之一。要是没有这种涨落,那就更难解释宇宙是怎样从原始均匀状态演变为各种各样的星系的了。然而,这种涨落情况还是不明显的。因为COBE卫星只能在10度或更大的角间距上比较背景辐射的温度,所以在更小角间距上的更大的涨落情况很可能被平滑了不少。当然,要改善这种状态,还必须克服更大的技术困难,使望远镜的孔径更大(即主瓣更窄),并能在更小的角间距内进行扫描式探测。

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  • 关键词:宇宙背景辐射
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