絕對溫度2.762---相當攝氏-270左右

宇宙微波背景輻射

 

1964年兩位年輕的天文學家阿諾.潘齊爾斯與羅伯特.威爾森發現一個令他們困惑的電波雜訊,那個這兩位科學家是在紐澤西州的貝爾實驗室工作。他們所使用的議器是一貝高敏感度的電波望遠鏡,原本的設計是用來接收早期通訊衛星所發生的訊號,但是他們偵測到一個地球以外的雜訊。這個雜訊不僅與太陽及本銀河系的所在位置無關,而且各個方向所接收到的強度都一樣,也就是說這個訊號是貝有均向性的。他們兩人為了確定這個雜訊不是來自望遠鏡本身,還仔細地清除望遠鏡上的所有髒缺汙,包括可能引起靜電干擾的鳥糞。經由他們的測量發現這個雜訊是一個波長七公分的電波,這在電磁頻譜中是屬於微波區域。現在回頭看看,這個訊號在我們日常生活中很容易就可以偵測到。如果電視未轉到一個正確頻道,在燭光幕上產生的靜電雜訊有百分之一就是來自這個天外輻射。

 

很快地這個微波輻射就被發現是來自遙遠的宇宙邊際。如果它的來源不是像太陽系內微塵的區域輻射,由其均向性便可以推測必定是來自非常遠的地方。同時候在附近的普林斯頓大學也有一組宇宙學家在研究微波背景輻射,他們相信那是大霹靂時期所遺留下來的輝光。羅伯特.迪克和他的同事認為,宇宙中包括太陽與其他星球所含的氦,大部分是在非常早期的宇宙,由熱核熔合所產生的。要有這樣的結果,早期宇宙必須有相當高的溫度,在這種情況下,宇宙應該是充滿由極熱電子與質子所發射出來的高能光子,隨著宇宙的膨脹,這些輻射便逐漸冷卻,形成今日可見之電磁頻譜中的微波部分。

 

不過,早在二十年前喬治.葛茂就已經提出類似的想法,並且給出相差不多的預測。葛茂的學生羅天.奧佛與羅伯特.赫門在1949年估計現在包含冷卻殘餘輻射場的宇宙溫度應該是在絕對溫度五度左右,然而他們並沒有進一步研究,倒是在1963兩位蘇聯人,安齊.多羅斯科維奇與依格.諾維科天再向前一步,測量到對應的溫度是絕對溫度三度,可惜的是他並未排除這是因為靜電源所造成的儀器雜訊。在普林斯頓的研究人員延續貝爾實驗室的努力,並成功地在第二個波長測量到這個宇宙微波光譜,而且據以推論這個輻射的型態非常接近黑體輻射。

 

黑體輻射

這個名稱指的是在一個溫度均勻的獨立空腔中所存在的輻射,它所有的物理性質只與它的溫度有關,而與空腔的其他條件無關。黑體輻射所涵蓋的波長範圍非常廣,但是在某些波長的強度會比較強,這種輻射有一個獨特的能量分布型態,叫做普朗克分佈。雖然這種型態的能量分佈都很相似,但是最大能量的峰值波長,會隨溫度增加,而向短波長移動,這種變化的規律是由韋恩定律所描述。若一個黑體輻射的峰值波長在0.1公分,它的溫度應該只有絕對溫度三度。實際上一直到1991年,火箭與衛星的觀測才顯示宇宙微波背景輻射,是一個相當接近絕對溫度三度的黑體輻射光譜。突破性地發展是在1989年11月所發射的「宇宙背景輻射探測衛星」--寇比(COBE),它上面的儀器是由約翰.馬瑟設計的,這個儀器所準確記錄的溫度是絕對溫度2.762;萬,誤差不超過0.005度。

 

微波背景輻射的均向性

除了能量分佈是黑體輻射以外,宇宙微波背景輻射還有另一個不可思議的特徵,即其均向性。由最近的測量可以發現,在各個方向所偵測的微波背景輻射溫度都是一樣的,其精確度超過十萬分之一。然而這個背景輻射應該要有一個較大程度的變化,這個變化是起因於地球相對於宇宙微波背景輻射的運動所造成的都卜勒位移。對地球而言,這些運動的淨速度約為每秒400公里,這個位移量的大小與光速的比值大約是千分之一,稱為偶極變化,有一個最大值與最小值,兩者相差180度。

 

天文物理學家理察.穆勤與喬治.斯穆特在1973年設計了一貝靈敏度極高的電波望遠鏡,偵測波長在宇宙微波背景輻射的峰值波長附近。雖然這個波長段的輻射會被地球的水氣所吸收,但是穆勤和斯穆特巧妙地解決這個問題。他們將這個望遠鏡安裝在U2間諜偵察機上。其他所偵測到起因於地球運動的偶極非均性,其溫度差異確實如預測的為千分之一。經過修正太陽相對於本銀河系的公轉之後,可以推論出本地星系團正以每秒630公里的速度,朝向寶瓶座的方向運動,這提供了初步的證據證明這個微波背景輻射是源自遙遠的宇宙邊際,而且可能就是大霹靂火球的餘燼。

 

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