car-t 宇宙19|人类首次发现宇宙结构的种子,宇宙中也有声音


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1964年 , 美国贝尔实验室的两位工程师在天空的各个方向上 , 无意中发现了神秘的热噪信号 , 他们当时认为 , 这不是杂波干扰 , 就是设备出现了问题 。
但是当他们排除了所有的可能之后 , 甚至把天线喇叭口里面的鸟粪都铲干净了 , 依然消除不了这种充满全天空的低温辐射 。
这其实就是普林斯顿大学迪克团队正在寻找的 , 宇宙微波背景辐射 , 是大爆炸火球留下来的余温 。 这就像你烧灶火做饭一样 , 过上几个小时以后 , 灶火里面还会残留一些温度 。 区别在于 , 灶火降温是热量损失的结果 , 而宇宙的降温是因为空间膨胀导致的 。
上图就是彭齐亚斯和威尔逊测量结果的模拟图 , 绿色部分就是充满全天空的微波背景辐射 , 温度只有3.5K , 这个发现就证实了大爆炸理论的正确性 。
但是人们还有一个疑惑 , 彭齐亚斯他们测量的结果显示 , 早期宇宙的温度和密度是完美均匀的 , 也就是在他们的测量结果中看不见有温度的波动 。
虽然我们经常说 , 宇宙在大尺度上处处均匀 , 各向同性 , 这是我们熟知的宇宙原理 , 但是我们知道 , 宇宙不可能做到完美的均匀 。
因为 , 如果宇宙中的物质是完美均匀的的话 , 那么物质就不可能随着时间的推移 , 在引力的作用下聚集成块 , 进而形成恒星、星系、星系团这些大尺度结构 , 当然也不可能诞生人类 。
所以我们的宇宙需要在某种程度上具备一些不均匀的性质 , 这就是所谓的密度波动 , 当然物质分布的密度波动 , 表现在微波背景上 , 就是温度波动了 。
因此 , 人们相信微波背景中的温度波动肯定有 , 只不过是彭齐亚斯他们的设备不行 , 测不出来 , 所以在1989年的时候就发射COBE卫星 , 其中携带的仪器:差分微波辐射计 , 就是用来测量微波背景的温度波动的 。
上图就是1992年COBE卫星返回来的结果 , 其中的蓝色部分是温度偏低的区域 , 代表了这些地方的物质密度较高 , 绿色部分是微波背景的平均温度 , 代表了物质分布的平均密度 , 红色部分是温度偏高的区域 , 就代表了这些地方物质的密度较低 。 后面我会解释高温和低温区域是如何形成的?以及跟物质密度有啥关系?这里就先大概地记一下就行了 。
需要注意的是 , 在图中有一大块的红色区域 , 这其实是我们银河系的盘面 , 所以它不代表任何东西 。
根据COBE卫星的测量 , 我们发现高温区域和低温区域的温度波动只有平均温度的0.003% , 正是这个微小的差异 , 才有了我们今天看到的宇宙结构 。 当然我们每一个人都来自这0.003%的微小波动 。
那如何理解这0.003%的波动?它到底有多大?我举个例子 , 现在想象一个海面 , 在海面上有一些微小的波纹 , 波峰高几厘米 , 波谷低几厘米 , 但是整个海水的深度有1千米 , 现在我们把波峰和波谷一平均 , 就是整个海水的平均深度了 , 这个平均深度就是微波背景中的平均温度 。
那波峰高的那一点点 , 就是微波背景中的热点了 , 波谷低的那一点点就是微波背景中的冷点了 。 也就是说 , 在很小尺度上 , 海面确实有波动 , 但是当你把整个海水的深度都考虑进去的话 , 我就可以认为整个海水的深度都是一样的 。
这就是微波背景辐射中温度波动的幅度 , 非常的小 , 这也是为什么我们说宇宙处处均匀 , 但又必须存在微小的密度波动 。

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