宇宙微波背景辐射研究

宇宙微波背景辐射研究

学生姓名：学号：

学院：物理电子工程学院专业：物理学

指导老师：刘墨林职称：副教授

摘要：宇宙微波背景辐射的研究是宇宙学中非常重要的部分，从20世纪30年代，人类就开始了对宇宙微波背景辐射的探索。宇宙微波背景辐射论证了大爆炸宇宙学的正确性，是人类探索宇宙奥秘的重要手段和途径。它具有各向异性和偏振的特点。科学家们已经取得了非常显著的研究成果。在今后的研究中，宇宙微波背景辐射的研究将仍是重要内容。

关键词：宇宙微波背景辐射；宇宙大爆炸；各向异性；偏振

Research of the cosmic microwave background radiation

Abstract:The research of the cosmic microwave background radiation is a very important part, from the 1930s, humans began the exploration of the cosmic microwave background radiation. The cosmic microwave background radiation demonstrate the correctness of the big bang cosmology, is an important means and ways to explore the mysteries of the universe humans. It has anisotropy and polarization characteristics. Scientists have made a very significant research results. In future studies, the researchers cosmic microwave background radiation will remain an important part.

Key words:the cosmic microwave background radiation;the big bang; the anisotropy; the polarization

1 引言

广袤无垠的宇宙神秘而充满诱惑，从千百年前流传下来的唯美传说“嫦娥奔

月”，到现代“嫦娥1号”登上月球，从据说可以许愿成真的浪漫流星雨，到预测并观察到的哈雷彗星，自古至今神秘的宇宙都在挑战着人类的智慧，人们对宇

宙从敬畏向往到大胆探索，从未停下迈向宇宙的脚步。

越来越多的人参与了宇宙探索事业，宇宙的神秘面纱逐渐被掀开一角，人们开始窥探宇宙的奥妙。20世纪初，爱因斯坦提出的相对论和宇宙膨胀的发现，奠定了宇宙演化理论学说的理论和观测基础。20世纪40年代，伽莫夫（Gamow）提出了大爆炸宇宙模型，又称为“大爆炸理论”。大爆炸理论说明了许多宇宙观测事实，为许多天文学疑问提供了解释，是现代宇宙学最有影响力的一种学说。大爆炸理论认为，早期宇宙处于一种高温高密度的微观粒子平衡体系状态，随着宇宙的不断膨胀，温度迅速下降，各种粒子发生了反应变化，逐渐形成各种物质，最后演化成我们今天见到的宇宙。无边无际的宇宙中除了各种各样的恒星体系，还存在着许多已发现和未知的物质或天文现象，宇宙微波背景辐射(Cosmic Microwave Background简称CMB)就是非常重要的一项。20世纪60年代，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊检测到宇宙微波背景辐射，并测得其温度约为3K，为此获1978年诺贝尔物理学奖。宇宙微波背景辐射的发现和观测，在天文学上有着非常重大的意义，有力的证明了宇宙大爆炸理论，也为以后天文学的研究提供了途径和依据，为此，人们加紧了对宇宙微波背景辐射的观测和研究，并在天文学的研究中取得了巨大成果。

2 宇宙微波背景辐射的观测和研究

人们对宇宙充满向往，很早就开始了对宇宙的探索，宇宙微波背景辐射的研究则是非常重要的部分，并取得了显著成就。

2.1 微波背景辐射的研究历史

早在1934年，Tolman就发现了在宇宙中辐射温度会随时间的变化而不断改变，辐射光子的频率也会随时间而有所不同，但两者同时考虑时，变化就会被抵消掉，最后以辐射的形式保留下来。这时Tolman虽然没有提到宇宙微波背景辐射，但这些发现为宇宙微波背景辐射的研究做出了准备。

1948年，美国物理学家伽莫夫继提出宇宙大爆炸理论后和其团队估算出，如果宇宙最初的温度为10亿度，则会残留有5~10K的黑体辐射。但这个关于宇宙微波背景辐射的预言在当时并没有引起人们的重视。

1964年，苏联的泽尔多维奇，英国的霍伊尔、泰勒，美国的皮伯斯等多位科学家对宇宙中残留的黑体辐射进行了研究，并提出了预言：宇宙应该残留有温度为几K的背景辐射，并且可以在厘米波段上观测到。这个预言得到了学术界的重视，科学家们开始积极着手对宇宙微波背景辐射的研究。许多科学家开始制作一种低噪音的天线来提出宇宙的这种背景辐射，然而，在他们有所发现之前，另外两个美国人在无意中发现了宇宙微波背景辐射。

1965年，美国贝尔实验室的工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊架设了一架天线用来接受卫星信号，为了检验这架天线的噪音干扰性能，他们将天线对准天空的各个方向进行精密测量，意外的发现，在7.35cm的波段上一直都存在着一个各向同性的微波信号，这个信号不受昼夜季节的影响变化，可以断定与地球的自转与公转没有关系。刚开始，他们以为这是天线系统本身的偏差产生的噪音，但对天线进行彻底检查并排除了产生噪音的可能后，发现仍然可以检测到这个信号。于是，他们在《Astrophysics》上发表了题目为《在4840兆赫上额外天线温度的测量》的论文，宣布他们的意外发现。之后，有科学家在同本杂志上发表了一篇标题为《宇宙黑体辐射》的论文，对阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊的意外发现作出解释，即：这个额外的温度约为3K的辐射就是宇宙微波背景辐射。宇宙微波背景辐射的发现是宇宙学发展中最重要的事件之一，与类星体、脉冲星、星际有机分子，并称为20世纪60年代的天文学“四大发现”。阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊也因为他们这个伟大的发现而获得了1978年的诺贝尔物理学奖[1]。

自此，宇宙微波背景辐射被人类发现，并开始了它的研究探索之路，国际上进行了多种实验项目，来研究宇宙微波背景辐射。刚开始的实验都是在地面上或者大气层内进行的，测量的精确度受到了极大的限制，人们开始尝试发射卫星探测试验仪到太空中进行测量和研究。

1976年，美国国家航空航天局计划建设宇宙背景探测者卫星（Cosmic Background explorer简称COBE），经过几年研究，于1989年将COBE卫星发射升空。卫星运行不久，便对宇宙微波背景辐射能谱作出了精确的测量，精确的符合普朗克黑体辐射谱的理论曲线，并得出今天宇宙微波背景辐射的温度为T=2.728 0.004K，之后经过3年多的数据积累，在1992年首次测得了宇宙微波背景辐射温度涨落的各向异性数值，为宇宙大爆炸理论提供了有力的证据。为此，第一代宇宙微波背景辐射探测卫星——COBE卫星的主要领导者马瑟（J.Mather）