Sunday, July 12, 2009

宇宙微波背景辐射


看我的物理多了,可能越看越不明白吧,呵呵。所以呢,这一帖是关于宇宙的,相信大家都会想知道。

首先,我要讲解一些基本的东西。第一,黑体(blackbody)。中4,5,6有念物理的应该记得有念过这样的一个东西。但何谓黑体呢?以一个盒子简单来说就是当盒子里面的物质(原子,分子之类的)和 里面的光线(可以想象把盒子封闭之前跑进去还没反射出来的)达成了平衡状态(原子,分子会吸收光线,然后又会发出光线)的时候,它就是黑体了。第二,100年前左右著名物理学家Planck成功的导出了黑体辐射(光线)所拥有的光谱,也就是某个波长(红色是700 nanometers左右)的光线强度比率。如果某个物体是黑体,那么通过一些仪器(今天的主角),我们可以测量到它的光谱。然后与Planck的方程式比较,我们就可以知道它的温度。

先从靠近的太阳下手。科学的书上都有写太阳的表面是6000度左右。我中学的时候就有问老师,是谁跑到太阳去测量的?人体不会烧焦吗?当时的答案我不大记得了。不过好像是.....他们派机器去测量的,不怕热的机器。哈哈。现在想起来,其实也对了一部分,那就是派机器去。但是呢,不需要跑到太阳身边去,呵呵。


其实呢,太阳的温度是通过两个过程来决定的。第一,假设太阳是黑体。第二,测量它的光谱。令人惊讶的是,虽然这个世界上,可能这个宇宙,没有存在完美的黑体,但是太阳的光谱竟然几乎和6000度黑体辐射的Planck曲线相同。这就是太阳6000度的由来。还有,看看下面的图,太阳看起来比较偏向黄色是因为黄色是光强度最大的。(讲到太阳,还有两个星期就会有月食。在日本看得到,其他地方就看看运气了)

太阳的光谱

科学家的好奇心当然不会被区区一个太阳所满足。在1964年,美国Bell Telephone Laboratories的Penzias 和 Wilson架设的天线(Dicke Radiometer)发现了在波長为7.35cm的信号既没有时间或方向的变化。起初他们以为这个信号是来自天线系统本身的噪音,便开始对天线进行了彻底检查。但是噪声仍然存在。于是他们发表了这项发现的论文。不久后,Dicke,Peebles,Roll和Wilkinson 以《宇宙黑体辐射》为标题发表了一篇论文,对这个发现给出了正确的解释 : 这个额外的辐射就是宇宙微波背景辐射。一年之后,Wilson和Penzias对其它频率的信号测量了一番。与测量太阳温度同样的手法,他们得到了大概3K度(摄氏-270度)的Planck光谱。这就是初期宇宙温度的由来。

每个探测器的大概图与结果

由于当时是在地上观测,云层之类的噪音对测量结果形成了很大的限制。于是在1989年的时候,COBE (Cosmic Background Explorer)被射上外太空。到了1992年,测量到的结果是,根据Planck光谱,宇宙温度大概为2.726±0.010K。十年之后的WMAP由于在光谱上的Resolution很强(能够很详细地测量,看上图的右边就明白了),它能够非常准确地测量光谱。通过一系列的数据解析和物理理论,除了宇宙的温度之外,它也预测了宇宙的年龄,宇宙的构成要素(4%是Matter,23%是Dark Matter,73%是Dark Energy,和0.5%以下是Photons),还有宇宙膨胀的速度,坚定了我们的宇宙正在膨胀着。

Planck Explorer

由于钱太多(开玩笑),European Space Agency (ESA) 在2000年的时候开始了Planck Explorer的计划。他们希望以超高角度解析能力获取宇宙背景辐射在整个天空的的各向异性图。Planck Explorer也有能力测试早期宇宙的理论和宇宙结构的起源。(http://www.rssd.esa.int/index.php?project=PLANCK

关于我们存在的宇宙,Planck Explorer接下来会为我们带来什么喜讯呢?

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