从哈勃到哈勃深空场（六）

本期为从哈勃到哈勃深空场第六篇，上一篇为：《从哈勃到哈勃深空场（五）—“瞎猫”撞“诺奖”》

彭齐亚斯和威尔逊无意之中发现了宇宙微波背景辐射，这一发现在近代天文学上具有非常重要的意义，它是大爆炸理论的一个最有力的证据。宇宙背景辐射与类星体、脉冲星、星际有机分子一道，并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。彭齐亚斯和威尔逊也因发现了宇宙微波背景辐射而获得1978年的诺贝尔物理学奖。

致命一击

宇宙微波背景辐射的发现对稳恒态宇宙观是一个致命的打击，其代表人物霍伊尔（同时也是大爆炸理论Big Bang的命名人）试图用别的理论来解释背景辐射。比如说，他们认为，背景辐射也许是普通星系发出的光被宇宙尘埃吸收散射的结果。

这就需要对微波背景辐射更加精确的观测。

宇宙大爆炸理论认为宇宙间的物质质量是恒定的，随着宇宙空间膨胀物质间距逐渐变大，物质逐渐稀疏；稳恒态宇宙观认为随着宇宙膨胀物质不断产生

进一步研究

继彭齐亚斯和威尔逊之后各国天文学家在不同波段上对微波背景辐射做了大量的测量和详细研究。

结果发现，宇宙微波背景辐射是一种弥漫在整个宇宙的电磁辐射，而且背景辐射和黑体辐射在一个相当宽的波段范围内互相吻合，特征几乎完全相同，对应温度约2.7K（近似为3K），由于这个频率在微波范围内，所以称为微波背景辐射。

视界问题—噩梦

宇宙微波背景辐射之所以能够成为宇宙大爆炸的关键证据，不仅仅是因为它吻合了伽莫夫的预言，更重要的问题是，按照已观测到的3K左右的温度，相当于宇宙中任何一个地方都能接受到10个左右的光子每秒每平方厘米，考虑到宇宙的尺度如此之大，根本不可能存在一个辐射源能够产生出如此巨量的能量。

宇宙有多大呢？点开这个视频看看吧

这些光子只能是在宇宙爆炸之初诞生的。刚刚诞生时的宇宙集合了所有的这些光子，它像一个巨大的火球，而宇宙微波背景辐射则是宇宙在经过137亿年的膨胀后剩下的余温。我们在电视机中看到的雪花点中，就有百分之一是宇宙微波背景辐射。

这些古老的光子跨过了一百多亿年的浩瀚时空，撞在我们生活的地球上，当我们研究这些时空旅行者时，我们其实也就在端详着宇宙大约是137亿年前的模样。继威尔逊和彭齐亚斯之后，全世界都投入了大量的人力物力，建造了一个又一个巨大无比的天文仪器。在随后的十几年中，对于宇宙微波背景辐射的实验和理论研究是整个物理学和天文学最热门的一个领域。

然而，地面上的大型天线观测到的宇宙微波背景辐射在各个方向都毫无差异地惊人一致——3K，这就是背景辐射的各项同性。

上面这张图看起来很像展开的世界地图，实则不然，它是从地球向宇宙望去，呈现的背景辐射温度差异图，画在二维平面上即为椭圆型。背景辐射在整个天空上都是高度各向同性的，只是具有一个很微小的偶极各向异性：在赤经 11.3±0.1 h，赤纬 4±2°的地方温度略高，在相反的方向温度略低，人们认为这是由银河系运动带来的多普勒效应所引起的。

然而随着测量数据的越来越精细，人们却越来越忧虑，背景辐射的各项同性正由惊喜慢慢变成噩梦。这意味着诞生时宇宙大火球的温度极为惊人地均匀一致。从专业一点的角度来说，宇宙在10^-15量级上都呈现出完美的各项同性。这一看起来着似乎是很正常的现象，却透露十分凶险的信息。

广义相对论的计算结果表明，在宇宙诞生的那一刻，宇宙膨胀的速度是如此之快，以至于其中不同区域相互远离的速度远远超过了光速。

哎？相对论不是说光速是速度的极限吗？？？为什么这里超过了光速？

实际上，相对论所说的光速极限是指宇宙间信息和能量的传递无法突破光速，而空间的相对远离则完全可以超过光速的。也就是说，星系与星系之间的相对退行速度是不受光速极限束缚的，因为这里不存在信息和能量的传递。

当以光速穿行在宇宙时，我们看到的情景是这样的

现在，问题就很好解释了，可以想象，宇宙在诞生之初，空间以超过光速的速度迅速膨胀，爆炸后的宇宙碎块与碎块之间的远离速度超越了光速，这些碎块与碎块之间没有发生任何的能量和信息交换，也就不可能发生热量的传导，但是我们观测的结果却是，所有的碎块温度都惊人的一致。

这就好像在夜空中炸开了一朵烟花，但是焰火碎块之间的温度都极为精确地完全一致。

这个情况与当时理论计算的结果产生了严重的冲突。宇宙学家将这个问题称之为视界问题。这个问题困扰了当时无数宇宙学家和物理学家。

可以想象，要么是爱因斯坦的广义相对论出现了问题，要么是一直以来的宇宙大爆炸理论出现了问题，再或者，就是人们对宇宙微波背景辐射的温度观测还不够精确。到底是哪里出了问题呢？科学家们宁愿相信后者。否则，整个20世纪辛辛苦苦建立的物理大厦将面临着崩塌的危险。这将是几代物理学家的噩梦。

宇宙背景探测者（COBE）

时间慢慢进入了七十年代，那正是航天事业蓬勃发展的时期，因此人们想到了在外太空中探测宇宙微波背景辐射。1974年，NASA公告了一个让天文学家参与的中小型探险者计划，这是大探险者计划的一部分。新的探测计划的实质是发射中小型探测器执行宇宙（天文）探测任务。

探险者计划是美国最早的、也是历时最长的太空探索计划，自1958年1月探险者1号发射以来，美国先后共执行了超过90次探测任务，该计划一直延续到了21世纪。最初由NASA牵头，先后融入了其它科学机构，包括许多国际伙伴

该计划由科学家提出探测提案，最终共获得了121个提案，就在这区区121个提案中就有三个是研究宇宙微波背景辐射的。尽管最终被红外线天文卫星（IRAS）所取代，但这已经向NASA传达了一个明确的信号：宇宙微波背景辐射探测势在必行。

新的探险者系列中的第一颗卫星，重量达到了2000Kg以上，之前的探险者卫星重量都在百公斤量级。此后的探险者卫星质量都大大增加，有的达3000多千克，而探险者一号才14公斤。

在1976年，美国国家航空航天局集合了1974年提出三个提案的团队，提出了联合概念卫星计划。1977年，新团队提出可以用计划建造的航天飞机或德尔塔火箭发射的极轨卫星，新的卫星称为宇宙背景探测者（COBE），也称为探险家66号。

COBE卫星探测器专门设计用来分析由伽莫夫推测的微波背景辐射的进一步细节，最终COBE不负众望，澄清了背景辐射引起的早期困惑

NASA接受了这项建议，但前提是项目费用应保持在3000万美元以内，好在这3000万不包括发射器和数据分析。但在当年，3000万美元是笔很大的费用。

COBE卫星在进行总装测试，它大量借鉴了前代红外线天文卫星IRAS的技术，摊平了IRAS的成本。探测过程中的所有系统误差都要被测量到并且进行精确限制，这就要对星载设备进行严格而精确的综合设计。

测量要求COBE必须至少运行6个月，限制来自地面、COBE系统本身和其他卫星的无线电干扰以及来自地球、太阳和月球的辐射干扰。这些仪器需要温度稳定和保持增益，并保持高度清洁，以减少杂散光的进入和微粒的热发射。

由于IRAS项目导致资源管理器项目费用超支，戈达德空间飞行中心(GSFC)建造卫星的工作直到1981年才开始。为了节省成本，COBE上的红外探测器和液氦罐采用与IRAS类似产品。

与COBE任务有关的最后两个重要部分是杜瓦储氦罐和辐射屏蔽保护仪。杜瓦罐是一个650升的超流体氦冷恒温器，旨在使COBE在任务期间得以冷却。它基于与IRAS相同的设计，并能够沿着通信阵列附近的自旋轴排出氦。锥形的太阳-地球屏蔽保护仪器可以保护设备免受太阳和地球辐射，以及来自地球和COBE发射天线的无线电干扰。它的多层绝缘材料同时也为杜瓦瓶提供了热隔离。

1986年是美国航天史上最阴暗的一年。1月28日：挑战者号航天飞机从卡纳维拉尔角升空72秒后爆炸，7名美国宇航员丧生；4月18日：携带着军事侦察卫星的大力神34D火箭从范登堡空军基地起飞8.5秒后发生爆炸；5月3日：携带有一颗价值5700万美元气象卫星的德尔塔运载火箭从卡角起飞71秒后主发动机突然熄火，90秒时自毁。

COBE最初计划于1988年从范登堡空军基地搭乘航天飞机入轨，但挑战者号爆炸推迟了航天飞机停飞后的计划。当时美国国内很多发射订单都外包给国际伙伴，包括中国。NASA极力阻止COBE的工程师前往其他太空机构发射COBE。

1989年COBE搭载德尔塔火箭由加利福尼亚范登堡空军基地升空，准确进入900公里倾角99度的极地轨道。

最终，重新设计的COBE于1989年11月18日搭载着Delta火箭进入太阳同步轨道。入轨后的COBE以前所未有的精度（探测十万分之一变化的能力）探索天空，并用无线电发回了宇宙背景辐射的最精确画面。在美国物理学家约翰马瑟（J.C. Mather)和乔治斯穆特(G.F. Smoot)的带领下，有上千位天文和物理研究人员围绕COBE展开研究。

利用COBE数据生成的著名宇宙微波背景辐射各向异性图，这是一张极为有名的“地图”，它告诉人类，宇宙从哪里来。

在COBE绘制这幅微波背景辐射图之前，人们尚不清楚为什么宇宙是由恒星和星系构成，而不是均匀分布的尘埃云。理论家们曾预言，对太空微波的精确测量将揭示温度的微小波动，这种波动代表了早期宇宙物质密度的变化。密度较高的部分作为后来形成的星系的“种子”。而COBE最先对微波背景图中温度差异进行精确测量。

两年后的1992年4月23日，这组科学家宣布一项激动人心的发现，他们在COBE的数据中发现了宇宙大爆炸时期的古老“种子”。证明了微波背景辐射来自空间的各个方向，且几乎是非常均匀的（有十分微小的各项异性特征，和和理论的预测值符合地几乎完美），其能量相当于2.7K的温度。这就说明宇宙微波背景辐射是一个完美的黑体辐射，它呈现着微弱的各项异性。

COBE的数据表明，大爆炸理论预测的黑体曲线与微波背景下观测到的黑体曲线非常吻合。当年的理论工作就是这么厉害。这既是爱因斯坦广义相对论的胜利，也是大爆炸理论的胜利

宇宙微波背景辐射中的温度涨落终于找到了！这一消息被全世界认为是一项基础性的科学发现，并在“纽约时报”的头版刊登，像2016年引力波的消息一样成了世界各大新闻媒体的头条。整个科学界都为之兴奋，因为这不仅仅意味着宇宙大爆炸模型的正确性，更是爱因斯坦广义相对论的又一次重大胜利。COBE的发现更是极大地激发了科学家探测宇宙微波背景辐射的热情。

马瑟和斯穆特在斯德哥尔摩大学的诺贝尔奖颁奖仪式上。根据诺贝尔奖委员会的看法：“宇宙背景探测的计划可以视为宇宙论成为精密科学的起点。”（the COBE-project can also be regarded as the starting point for cosmology as a precision science）

必须说的是，马瑟和斯穆特因COBE卫星发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性为有关宇宙起源的大爆炸理论提供了支持，获2006年诺贝尔物理奖。

COBE探测器上的液态氦于1990年9月21日耗尽，由探测器上装备的差比微波辐射仪继续进行实验，直到1993年12月23日之后这颗探测器被沃洛普斯飞行研究所当作工程训练和测试卫星使用。

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