宇宙微波背景辐射的提出、发现与探测（下）

郭红锋

自从伽莫夫团队提出宇宙大爆炸学说并给出了理论推导，甚至预言了大爆炸冷却后的残留辐射温度，很多研究小组都在想办法寻找大爆炸留下的痕迹——宇宙背景辐射的观测证据，其中就有普林斯顿大学的狄克教授领导的研究小组。

此时又有一段佳话登场。

20世纪60年代初，当时人类已经有了人造卫星，并且发展起了卫星通讯，但受到当时技术条件的限制和多种因素干扰，通讯效果并不太好。为了改进卫星通讯质量，美国贝尔实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊利用灵敏度很高的喇叭筒式无线电接收天线，测量各种噪声来源以便消除其对通讯的干扰。他们在工作中发现了一些出乎预料的噪音，便想尽办法进行甄别和排除。彭齐亚斯和威尔逊为了排除这些奇怪的噪音，进行了锲而不舍的努力。

他们转动天线朝向各个方向，观察了人类活动的噪声源和自然天气、季节等的影响。他们甚至怀疑鸽子在天线内留下的粪便是这些噪音的元凶，因而在1965年初把天线全部拆开，进行了一次彻底的清理。然而，所有的努力都不能消除这种神秘的来自天空各个方向、性质相同、波长7.35厘米（相当于3K背景辐射）的噪音源。

正在这时，彭齐亚斯和威尔逊听说，距离他们50千米的普林斯顿大学狄克教授领导的小组，正在研究宇宙早期留下的“残余的辐射”问题。狄克小组甚至已经建造了一台低噪音的天线着手去测量这种辐射。彭齐亚斯和威尔逊请狄克教授帮助分析他们接收到的噪声来源，双方讨论后一致得出结论：这挥之不去的噪音正是普林斯顿狄克小组煞费苦心要寻找的“宇宙背景辐射”。于是，这2个小组分别写了文章，发表在1965年7月的《天体物理学月刊》上，受到全球科学界极大的关注。

宇宙背景辐射的发现被誉为20世纪60年代天文学四大发现之一，是20 世纪天文学的一项重大成果，对宇宙学的研究具有深远影响。宇宙背景辐射的观测有助于研究早期宇宙，并能帮助人们更多地了解星系和恒星的起源，为宇宙起源的大爆炸理论提供了有力的支持。彭齐亚斯和威尔逊因此获得1978 年诺贝尔物理学奖。

彭齐亚斯和威尔逊都有学习和研究天体物理的背景，他们来到贝尔实验室是因为这台特别灵敏的喇叭筒式天线。他们的工作目标虽然是测量无线电通讯的噪声，但他们的专业素养、对未知事物的敏感以及对工作精益求精的态度，使他们在接收到了微弱的未知噪声信号后并没有因仪器误差、信号微弱、不稳定等因素忽略探索，而是千方百计地寻根朔源。正是他们在工作中不忽略任何细节和锲而不舍的探究精神使他们赢得了科学上的重大发现。虽然经常有人说这是偶然的无心插柳，但却隐含着必然的结果成荫。

彭齐亚斯和威尔逊测量到的宇宙背景辐射，只是地球表面可以接受到的很窄的波段。科学家想要知道在地球之外宇宙更广大的空间里那些残留辐射的情况。于是，美国国家航空航天局（以下简称为NASA）在1989年发射了COBE卫星（宇宙背景探测器）。它携带的仪器之一测量了整个天空中波长为0.1至10毫米的微波辐射强度，于1992年发表的观测数据出乎意料地与理论数据吻合，被科学家誉为 “就像看到了上帝的指纹”。

随后NASA于2001年又发射了威尔金森微波各向异性探测器（WMAP），进一步确定了宇宙的年龄和组成。

2009年，欧空局发射了普朗克卫星。该卫星以更高的分辨率测绘了宇宙微波背景的各向异性。2013年，从该探测器收到的数据又提供了一些关于宇宙年龄、暗物质、普通物质、暗能量含量的惊人结果，并测量了哈勃常数的数值。

目前为科学界所普遍接受的宇宙起源理论认为，宇宙诞生于距今约137亿年前的一次“大爆炸”，宇宙微波背景輻射是“大爆炸”的“余烬”，大尺度上均匀地分布于整个宇宙空间。

宇宙微波背景辐射探测器数据绘制的全天空图中温度的微小波动，对应着微小的物质密度过低和过高，最终导致了我们今天在宇宙中看到的大规模结构。较红的区域代表高于平均温度，较蓝的区域表示比平均温度更冷。这些印记反映了在宇宙存在的早期就出现的涟漪。目前的理论是，这些涟漪产生了目前由星系团和暗物质组成的巨大宇宙网络。