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阅读 5953 次 历史版本 3个 创建者:和sky做邻居 (2011/5/20 16:03:05)  最新编辑:和sky做邻居 (2012/1/31 11:14:25)
宇宙微波背景辐射
拼音:yǔzhòu wēibō bèijǐng fúshè (Yuzhou Weibo Beijing Fushe)
英文:cosmic microwave background radiation
同义词条:cosmic microwave background radiation,CMBR,3K背景辐射,微波背景辐射
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宇宙微波背景辐射
        宇宙微波背景辐射
 
  宇宙微波背景辐射(又称3K背景辐射)是一种充满整个宇宙的电磁辐射。特征和绝对温标2.725K的黑体辐射相同,频率属于微波范围。1965年,美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯Arno Penzias)和威尔逊R.W.Wilson)无意中发现了大爆炸理论预言的宇宙微波背景辐射,这一发现成为宇宙大爆炸理论的有力证据,并以此获得了诺贝尔物理学奖
 

宇宙微波背景辐射的预言


  1934年,Tolman发现在宇宙中辐射温度的演化里温度会随着时间演化而改变;而光子的频率随时间演化(即宇宙学红移)也会有所不同。但是当两者一起考虑时,也就是讨论光谱时(是频率与温度的函数)两者的变化会抵销掉,也就是黑体辐射的形式会保留下来。

  1948年,美国物理学家伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼估算出,如果宇宙最初的温度约为十亿度,则会残留有约5~10k的黑体辐射。然而这个工作并没有引起重视。1964年,苏联的泽尔多维奇、英国的霍伊尔、泰勒(Tayler)、美国的皮伯斯(Peebles)等人的研究预言,宇宙应当残留有温度为几K的背景辐射,并且在厘米波段上应该是可以观测到的,从而重新引起了学术界对背景辐射的重视。美国的狄克(Dicke)、劳尔(Roll)、威尔金森(Wilkinson)等人也开始着手制造一种低噪声的天线来探测这种辐射,然而另外两个美国人无意中先于他们发现了背景辐射。

宇宙微波背景辐射的发现

 
发现宇宙微波背景辐射的两人
发现宇宙微波背景辐射的两人
  1964年,美国贝尔实验室的工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊架设了一台喇叭形状的天线,用以接受“回声”卫星的信号。为了检测这台天线的噪音性能,他们将天线对准天空方向进行测量。他们发现,在波长为7.35cm的地方一直有一个各向同性的讯号存在,这个信号既没有周日的变化,也没有季节的变化,因而可以判定与地球的公转和自转无关。

  起初他们怀疑这个信号来源于天线系统本身。1965年初,他们对天线进行了彻底检查,清除了天线上的鸽子窝和鸟粪,然而噪声仍然存在。于是他们在《天体物理学报》上以《在4080兆赫上额外天线温度的测量》为题发表论文正式宣布了这个发现。不久狄克、皮伯斯、劳尔和威尔金森在同一杂志上以《宇宙黑体辐射》为标题发表了一篇论文,对这个发现给出了正确的解释,即:这个额外的辐射就是宇宙微波背景辐射。

  宇宙背景辐射的发现在近代天文学上具有非常重要的意义,它给了大爆炸理论一个有力的证据,并且与类星体脉冲星星际有机分子一道,并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。彭齐亚斯和威尔逊也因发现了宇宙微波背景辐射而获得1978年的诺贝尔物理学奖。

新的研究情况

 
彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊1965年的观测设备和结果(上);1992年COBE观测设备和结果(中);2003年WMAP的观测设备和结果(下)。
彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊1965年的观测设备和结果(上);1992年COBE观测设备和结果(中);2003年WMAP的观测设备和结果(下)。
  宇宙微波背景辐射是一种充满整个宇宙的电磁辐射。特征和绝对温标2.725K的黑体辐射相同,频率属于征波范围。

  根据1989年11月升空的微波背景探测卫星COBECosmic Background Explorer)测量到的结果,宇宙微波背景辐射谱非常精确地符合温度为2.726±0.010K的黑体辐射谱,证实了银河系相对于背景辐射有一个相对的运动速度,并且还验证,扣除掉这个速度对测量结果带来的影响,以及银河系内物质辐射的干扰,宇宙背景辐射具有高度各向同性,温度涨落的幅度只有大约百万分之五。目前公认的理论认为,这个温度涨落起源于宇宙在形成初期极小尺度上的量子涨落,它随着宇宙的暴涨而放大到宇宙学的尺度上,并且正是由于温度的涨落,造成物质宇宙物质分布的不均匀性,最终得以形成诸如星系团等的一类大尺度结构。

  2003年,美国发射的威尔金森微波各向异性探测器对宇宙微波背景辐射在不同方向上的涨落的测量表明,宇宙的年龄是137±1亿年,在宇宙的组成成分中,4%是一般物质,23%是暗物质,73%是暗能量。宇宙目前的膨胀速度是71公里每秒每百万秒差距,宇宙空间是近乎于平直的,它经历过暴涨的过程,并且会一直膨胀下去。
 

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