宇宙微波背景辐射：大爆炸的热回声

由普朗克卫星测量的宇宙微波背景辐射图 — 由普朗克卫星获得的宇宙微波背景辐射（CMB）图。它展示了宇宙最早光的温度波动，这些光在大爆炸后约38万年发出。蓝色区域代表较冷的区域。
图像来源：ESA – 普朗克任务（新窗口）

科学摘要

宇宙微波背景辐射（CMB）是大爆炸后约38万年宇宙变得透明时发出的化石辐射。这种完美的黑体辐射（T = 2.725 K）已被宇宙膨胀拉伸到微波波长。其各向异性（温度波动约为10⁻⁵），通过COBE、WMAP和普朗克任务绘制的图，揭示了宇宙结构的种子。CMB的极化，特别是其B模式，可能证明宇宙暴胀和原初引力波。这种辐射确认了宇宙的平坦性，其组成（5%普通物质，27%暗物质，68%暗能量）并以无与伦比的精度验证了ΛCDM模型。

什么是宇宙微波背景辐射？它能告诉我们关于早期宇宙的什么？

宇宙微波背景辐射（CMB）是可观测到的最古老辐射，是大爆炸后38万年发出的“热回声”。当时，仍然是热的、不透明的等离子体的宇宙冷却下来，允许第一个氢原子的复合，从而释放出光子，这些光子自此开始旅行。今天，这种化石辐射以平均温度2.725 K充满整个空间，在被膨胀拉伸到微波区域后。通过COBE、WMAP和普朗克卫星的测量揭示了一个几乎完美的黑体谱，确认了大爆炸理论。微小的各向异性（10⁻⁵）是原始量子波动的印记，这些波动产生了宇宙中所有的结构（星系、星系团）。最后，对其极化的研究为宇宙暴胀和原初引力波打开了窗口。因此，CMB是现代宇宙学的基石，验证了ΛCDM模型并明确了宇宙的组成：5%普通物质，27%暗物质和68%暗能量。

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宇宙微波背景辐射随时间冷却

宇宙微波背景辐射 (宇宙微波背景辐射)（CMB）是大爆炸后约38万年发出的残余电磁辐射。当时，宇宙已经足够冷却，允许第一个氢原子形成，使宇宙对光透明。这种辐射曾经充满整个空间，被宇宙膨胀拉伸到厘米级波长，今天对应平均温度\(2{,}725\ \text{K}\)。

这个图表展示了早期的热且密集的宇宙如何转变为我们今天观测到的冷却且广阔的宇宙。CMB是现代宇宙学的基石，为大爆炸理论和宇宙的组成提供了直接证据。

几乎完美的黑体

COBE卫星（1989年）随后是WMAP（2001-2010年）和普朗克（2009-2013年）的测量显示，CMB的光谱非常符合黑体辐射定律 (黑体辐射的普朗克定律)。

这种光谱分布表明，宇宙微波背景辐射是处于热平衡的热辐射，由曾经不断相互作用的光子、电子和质子等离子体发出。

注：
黑体 (能够吸收和发射所有波长电磁辐射的理想物体)是一个完美的物理系统，能够完全吸收所有入射能量，并重新发射仅依赖于其温度的辐射。其光谱由普朗克定律描述，将光谱能量密度与频率\(\nu\)和温度\(T\)联系起来： \(\displaystyle B(\nu, T) = \frac{2h\nu^3}{c^2}\frac{1}{e^{h\nu/kT} - 1}\)。 宇宙微波背景辐射是已知的最佳黑体辐射的自然例子，与理论的偏差小于\(10^{-5}\)。

各向异性：早期波动的印记

尽管CMB具有显著的均匀性，但它仍表现出微弱的各向异性（温度波动约为10⁻⁵）。这些非均匀性是原始量子波动被宇宙膨胀放大的印记。它们作为种子，为宇宙大尺度结构 (星系团、纤维和宇宙空洞)的后续形成提供了条件。

WMAP和普朗克任务以无与伦比的精度绘制了这些各向异性图，为哈勃常数\(H_0\)、物质密度\(\Omega_m\)和暗能量密度\(\Omega_\Lambda\)等宇宙学参数提供了重要约束。

极化与早期宇宙的记忆

宇宙微波背景辐射的极化提供了关于复合前发生的物理过程的额外信息。特别是，检测到B模式极化可能揭示原初引力波的存在，这由阿兰·古斯（1947年出生）提出的宇宙暴胀理论所预测。

这些引力波可能在化石辐射的纹理中留下微妙的印记，为宇宙历史的最初\(10^{-35}\ \text{秒}\)提供间接测试。

基础物理学的窗口

宇宙微波背景辐射不仅是过去的遗迹，也是基础物理学的窗口。其光谱和极化中测量到的最小偏差测试了FLRW宇宙 (由弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规描述的宇宙的各向同性和均匀膨胀)模型和阿尔伯特·爱因斯坦（1879-1955）的广义相对论的预测。

CMB的分析确认了我们的宇宙在空间上是平坦的，精度超过0.4%，并且可见物质仅占总能量含量的约5%，其余部分由暗物质和暗能量组成。

注：
宇宙微波背景辐射在可见领域无法观测，因为其辐射最初在红外区域，被膨胀因子\((1 + z) \approx 1100\)拉伸，使其今日的光谱峰值约为\(160\ \text{GHz}\)。

宇宙微波背景辐射的主要研究任务
任务	时期	机构	主要成果
COBE	1989-1993	NASA	确认黑体谱和首次检测到各向异性
WMAP	2001-2010	NASA	详细绘制各向异性图并精炼宇宙学参数
普朗克	2009-2013	ESA	测量平均温度 \(T = 2{,}7255\ \text{K}\) 和宇宙的平坦性

来源： WMAP科学团队（新窗口）， ESA普朗克遗产档案（新窗口）。

常见问题:关于宇宙微波背景辐射的所有知识

什么是宇宙微波背景辐射（CMB）？为什么它如此重要？

宇宙微波背景辐射（CMB）是一种充满整个宇宙的微波辐射。它是大爆炸的最古老见证，大约在大爆炸后38万年时宇宙冷却并变得透明时发出的。它的重要性在于，它是大爆炸模型的直接证据。其精确测量确认了宇宙的平坦性，确定了其组成（普通物质、暗物质、暗能量），并探索了产生星系的原始结构。

为什么CMB今天的温度是2.725 K？

这个温度是宇宙膨胀的结果。在发射时（大爆炸后38万年），宇宙要热得多（约3000 K）。这种热辐射最初在可见光和红外区域，其波长被宇宙空间在138亿多年的膨胀中拉伸。今天，这种红移使其进入微波区域，对应的平均温度仅为2.725 K。

CMB的各向异性是什么？它们揭示了什么？

各向异性是CMB中观测到的微小温度波动（约10⁻⁵）。它们是原始量子波动的印记，这些波动在大爆炸后不久被宇宙膨胀放大。这些微小的过密区域作为“种子”，通过引力作用形成了宇宙的大尺度结构（星系、星系团）。WMAP和普朗克卫星对这些各向异性的详细研究，使我们能够对宇宙学的关键参数进行精确限制。

为什么CMB的极化是一个重大发现？

CMB的辐射不仅是热的，它还极化了。这种极化包含了关于早期宇宙的补充信息。特别是，检测到B模式极化是一个重要目标，因为它可能是原初引力波的特征。这些波可能是在宇宙暴胀期间产生的，这是宇宙在最初的10⁻³⁵秒内经历的极其快速的膨胀。它们的发现将为粒子加速器无法达到的能量下的物理学提供直接测试。

哪些任务研究了CMB？它们的贡献是什么？

三个主要的空间任务革命了我们对CMB的认识：
• COBE（NASA，1989-1993）：确认CMB的光谱是一个完美黑体，并首次检测到其各向异性。
• WMAP（NASA，2001-2010）：绘制了各向异性的详细地图，大大精炼了宇宙学参数，如宇宙的年龄、组成和曲率。
• 普朗克（ESA，2009-2013）：提供了迄今为止最精确的温度（2.7255 K）、各向异性和极化的测量，确认了宇宙的平坦性精度在0.4%以内，并明确了物质和能量的比例。