宇宙微波背景辐射：宇宙的婴儿期回声

文图|XX 编辑|XX 在浩瀚的宇宙中，有一束光已经旅行了138亿年。它来自宇宙的婴儿期，是宇宙大爆炸后留下的余温。这束光被称为宇宙微波背景辐射（CMB），是宇宙学家研究宇宙起源和演化的重要线索。 近日，中国科学院紫金山天文台高煜博士、王铮研究员、杨戟工程师等完成的一项研究，通过多波段观测数据，重建了宇宙在原初时期（大爆炸之后不久）的温度分布，并发现其温度涨落符合暴涨理论的预言。相关研究成果在线发表于国际学术期刊《天体物理学杂志》。 “我们的研究结果为理解宇宙的起源提供了新的证据。”论文通讯作者高煜对《中国科学报》说。 宇宙的“婴儿照片” 1964年，美国贝尔实验室的科学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊意外发现了一种神秘的辐射信号。他们最初以为这是望远镜上的鸽子粪造成的，但当他们把鸽子粪清理干净后，这种信号依然存在。最终，他们意识到这种信号可能来自宇宙本身。 经过进一步研究，科学家们确认这种辐射是一种微波辐射，且在宇宙各个方向上均匀分布。这就是后来被称为的宇宙微波背景辐射。由于这一发现，彭齐亚斯和威尔逊获得了1978年的诺贝尔物理学奖。 宇宙微波背景辐射被认为是宇宙大爆炸后遗留下来的余 温，因此也被称为“宇宙的婴儿照片”。通过对宇宙微波背景辐射的研究，科学家们可以了解宇宙在早期的状态和演化过程。 然而，由于宇宙微波背景辐射非常微弱，且受到地球大气的影响，直接观测非常困难。为了解决这个问题，科学家们通常采用气球或卫星等空间平台进行观测。例如，美国的COBE卫星和欧洲的Planck卫星都曾对宇宙微波背景辐射进行了高精度观测。 中国科学院紫金山天文台高煜团队的研究基于WMAP卫星和Planck卫星的观测数据。他们利用这些数据重建了宇宙在大爆炸之后大约38万年时的温度分布。 “WMAP卫星和Planck卫星分别在2003年和2009年发射升空，它们的主要任务之一就是测量宇宙微波背景辐射的温度涨落。”高煜介绍说。 通过分析这些数据，高煜团队发现宇宙在大爆炸之后约38万年时的温度涨落与暴涨理论的预言相符。暴涨理论认为，宇宙在大爆炸之后经历了一个快速膨胀的阶段，这个阶段导致了宇宙温度的均匀分布以及微小的温度涨落。 “我们的结果支持了暴涨理论，并为理解宇宙起源提供了新的证据。”高煜说。 寻找宇宙的“第一缕曙光” 除了宇宙微波背景辐射之外，科学家们还在寻找另一种被称为“宇宙再电离”的现 象。这是宇宙在大约130亿年前经历的一次重大转变，当时宇宙中的第一批恒星和黑洞开始形成，并释放出强烈的紫外线辐射。这些紫外线辐射将周围的中性氢原子电离成离子，从而结束了宇宙的黑暗时代。 “宇宙再电离是一个非常重要的过程，它标志着宇宙从黑暗走向光明。”杨戟说。 为了探测宇宙再电离的过程，科学家们通常会使用射电望远镜进行观测。射电望远镜可以接收到来自宇宙深处的无线电波信号，这些信号可能是由宇宙再电离过程中产生的。 中国科学院紫金山天文台的科研团队利用位于贵州的世界最大单口径射电望远镜“中国天眼”（FAST）对宇宙再电离进行了观测。他们发现了一个疑似宇宙再电离的信号，但这个信号的真实性还需要进一步验证。 “我们正在努力提高观测精度，以便更准确地确定这个信号的来源。”杨戟说。 除了射电望远镜之外，科学家们还计划利用其他波段的数据来研究宇宙再电离。例如，未来的X射线和伽马射线观测可能会揭示更多关于宇宙再电离的信息。 “宇宙再电离是一个复杂的过程，涉及多个物理过程和天体现象。我们需要综合利用多个波段的数据才能更好地理解这个过程。”高煜说。 探索宇宙的奥秘 宇宙微波背景辐射和宇宙再电离只是宇宙学家研 究宇宙起源和演化的两个例子。事实上，随着观测技术的进步和数据分析方法的发展，科学家们已经揭示了许多关于宇宙的秘密。 例如，科学家们已经确定了宇宙的年龄、大小和形状，以及宇宙中暗物质和暗能量的比例。他们还发现了宇宙中的第一批恒星和星系的形成过程，以及黑洞的质量和旋转速度等性质。 然而，尽管取得了很多重要进展，但宇宙学家仍然面临许多未解之谜。例如，宇宙中暗物质的本质是什么？暗能量是如何驱动宇宙加速膨胀的？宇宙在大爆炸之前是什么样子？这些问题都需要科学家们进一步研究和探索。 “我们对宇宙的了解还远远不够。未来的观测设备和数据分析方法将为我们提供更多关于宇宙的信息。”高煜说。 总之，通过研究宇宙微波背景辐射和宇宙再电离等现象，科学家们正在逐步揭开宇宙起源和演化的奥秘。虽然还有许多问题等待解答，但随着观测技术的进步和数据分析方法的发展，我们有理由相信未来会有更多关于宇宙的重要发现。