什么是宇宙背景辐射?什么是3k宇宙背景辐射!

来源:学生作业帮助网 编辑:作业帮 时间:2022/12/01 23:47:09
什么是宇宙背景辐射?什么是3k宇宙背景辐射!

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什么是宇宙背景辐射?
什么是3k宇宙背景辐射!

什么是宇宙背景辐射?什么是3k宇宙背景辐射!
世纪发现·宇宙背景辐射
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明朗的夜空,繁星闪烁,不禁使人陷入对宇宙的遐想之中.它从何处来,到何处去?宇宙背景辐射或许对此提供了答案.
发现宇宙前进的脚印
宇宙背景辐射是来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射,也称为微波背景辐射.二十世纪六十年代初,美国科学家彭齐亚斯和R.W.威尔逊为了改进卫星通讯,建立了高灵敏度的号角式接收天线系统.1964年,他们用它测量银晕气体射电强度.为了降低噪音,他们甚至清除了天线上的鸟粪,但依然有消除不掉的背景噪声.他们认为,这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K.1965年,他们又订正为3K,并将这一发现公诸于世,为此获1978年诺贝尔物理学奖金.
微波背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射谱,在0.3厘米-75厘米波段,可以在地面上直接测到;在大于100厘米的射电波段,银河系本身的超高频辐射掩盖了来自河外空间的辐射,因而不能直接测到;在小于0.3厘米波段,由于地球大气辐射的干扰,要依靠气球、火箭或卫星等空间探测手段才能测到.从0.054厘米直到数十厘米波段内的测量表明,背景辐射是温度近于2.7K的黑体辐射,习惯称为3K背景辐射.黑体谱现象表明,微波背景辐射是极大的时空范围内的事件.因为只有通过辐射与物质之间的相互作用,才能形成黑体谱.由于现今宇宙空间的物质密度极低,辐射与物质的相互作用极小,所以,我们今天观测到的黑体谱必定起源于很久以前.微波背景辐射应具有比遥远星系和射电源所能提供的更为古老的信息.微波背景辐射的另一特征是具有极高度的各向同性.这有两方面的含义:首先是小尺度上的各向同性.在小到几十弧分的范围内,辐射强度的起伏小于0.2-0.3%;其次是大尺度上的各向同性.沿天球各个不同方向,辐射强度的涨落小于0.3%.各向同性说明,在各个不同方向上,在各个相距非常遥远的天区之间,应当存在过相互的联系.
除微波波段外,在从射电到伽玛射线辐射的各个波长上,大都进行过背景辐射探测,结果是微波波段的辐射最强,其强度超过其它所有波段的背景辐射的总和.微波背景辐射的发现被认为是二十世纪天文学的一项重大成就.
早在四十年代,伽莫夫、阿尔菲和海尔曼根据当时已知的氦丰度和哈勃常数等资料.发展了热大爆炸学说,并预言宇宙间充满具有黑体谱的残余辐射,其温度约为几K到几十K.3K微波背景辐射的实测结果与理论预期大体相符.
因此现在不少科学家认为背景辐射起源于热宇宙的早期,是对大爆炸宇宙学的支持.
但这仍存巨大争议.宇宙背景辐射究竟着什么,还是人类一个未解之谜.把它说清楚,先要谈谈大爆炸理论.
“大爆炸”理论
因为本书中对大爆炸理论还另有专门论述,在这里只是简单回顾人类天文学发展的历史.
迈入16世纪之后,波兰的哥白尼提出“地动说”,主张众天体以太阳为中心公转.比起天动说,地动说更能简洁地解释天体的运行,但因当时天动说是绝对权威,所以地动说并未得到重视.丹麦人第谷的天体观测资料使得他的德国助手开普勒得以在17世纪初叶建立了有关行星运动的“开普勒定律”.和开普勒同一时期的意大利人伽利略率先将望远镜运用于天体观测,并因而发现了木星的4大卫星和太阳黑子等.伽利略通过天文观测支持了哥白尼的地动说.17世纪后半叶,英国牛顿建立了“万有引力定律”,根据万有引力定律能够正确计算行星的运动.牛顿的老友哈雷之所以能预言哈雷彗星的出现也是从万有引力定律得出的成果.此外在19世纪,科学家还根据天王星轨道的偏差计算出海王星的位置,从而发现了海王星.在17世纪之前,天文学都是以太阳系的天体为主要研究对象.直到17世纪后期,由于望远镜制作的进步,人们才开始逐渐把注意力转向恒星世界.人们曾经以为恒星是固定在天球上的光点,1718年,英国的哈雷根据对天狼星等恒星的观测结果,发现恒星会一点一点地改变位置,这才阐明了恒星并非固定的东西,而是像太阳一样的独立天体.1784年,英国的赫歇尔发表了众多星球分布成凸透镜状的银河系模型,由此得知太阳只是银河系众多星球中的一颗而已.自古以来,人们就知道,宇宙之中除了恒星以外,还有朦朦胧胧看起来像云一样的“星云”.1923年,美国的哈伯测定了太阳系至仙女座星云的距离,发现原来它是位于我们的银河系外边的另一个星系.银河系只不过是宇宙中为数众多的星系之一.像这样,人类所观测的宇宙一步步地扩展开来.
进入20世纪后出现了一个推翻传统时间及空间观念的理论,那就是爱因斯坦的相对论.爱因斯坦是最先模模糊糊领悟到后来称为“大爆炸”的人之一,他对这种设想深恶痛绝.1917年,他意识到他的广义相对论意味着宇宙或者在收缩,或者在膨胀.他给他的方程增加了一个项,后来称之为宇宙常数,这是一个附加因素,可以使宇宙体积的变化忽略不计.后来,天文学家们收集到了确凿的证据,表明星系的确在膨胀,离开地球的距离以及彼此间的距离越来越远.爱因斯坦因此有个著名的论断,认为其宇宙常数是他的“最大错误”.
1929年,哈伯发现距离越远的星系以越快的速度远离我们而去,由于这个“哈伯定律”的发现,阐明了宇宙正在膨胀之中的事实.1946年,美国的伽莫夫提出“大爆炸”理论,主张如果宇宙是在膨胀之中,那么越是向前回溯,宇宙便会越小,在最早的时候,宇宙是个高温、高密度的火球.1965年,美国的彭齐亚斯和威尔孙观测到宇宙背景辐射,此外,宇宙中氦等元素的含量与理论预测值十分吻合,使得大爆炸理论受到广泛的支持.80年代以后,俄罗斯的比连金和英国的霍金等人开始论述宇宙的创生.
作为现代宇宙学中较有影响的一种学说,与其它宇宙模型相比,大爆炸理论能说明一些观测事实.它的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史.在这个时期里,宇宙体系并不是静止的,而是在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地演化.这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆炸.
根据大爆炸宇宙学的观点,大爆炸的整个过程是,在宇宙的早期,温度极高,在100亿摄氏度以上.物质密度也相当大,整个宇宙体系达到平衡.宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质.但是因为整个体系在不断膨胀,结果温度很快下降.当温度降到10亿度左右时,中子开始失去自由存在的条件,它要么发生衰变,要么与质子结合成重氢、氦等元素;化学元素就是从这一时期开始形成的.温度进一步下降到100万度后,早期形成化学元素的过程结束.宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核.当温度降到几千度时,辐射减退,宇宙间主要是气态物质,气体逐渐凝聚成气云,再进一步形成各种各样的恒星体系,成为我们今天看到的宇宙.
大爆炸模型能说明以下几个观测事实:大爆炸理论主张所有的恒星都是在温度下降后产生的,因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短,即应小于200亿年.各种天体年龄的测量证明了这一点.观测到河外天体有系统性的谱线红移,而且红移与距离大体成正比.如果用多普勒效应来解释,那么红移就是宇宙膨胀的反映.在各种不同天体上,氦丰度相当大,而且大都是30%.用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦.而根据大爆炸理论,早期温度很高,产生氦的效率也很高,则可以说明这一事实.根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等,可以具体计算宇宙每一历史时期的温度.大爆炸理论的创始人之一伽莫夫曾预言,今天的宇宙已经很冷,只有绝对温度几度.微波背景辐射温度约为3K.这一结果无论在定性上或者定量上都同大爆炸理论的预言相符.但是,在星系的起源和各向同性分布等方面,大爆炸宇宙学还存在不少未解决的难题.
“它是拼凑起来的!”
起初,“大爆炸”理论与观测结果十分吻合,但是这种理论上的乐园已经难有好日子过了.最近几年,“大爆炸”理论不能自圆其说的问题接踵而来,宇宙不再那么循规蹈矩了.
人们长期以来一直认为,星系彼此之间的引力与宇宙扩张相抗衡,向心引力刚好与离心张力形成平衡,使宇宙得到控制.但令人震惊的是,《科学》杂志报告了宇宙在加速膨胀的证据,这表明存在某种尚无法解释的与引力作用相反的斥力.虽然还未成定论,但是它却是理论学家一直绞尽脑汁要弄明白的一系列惊人结论中最新出现的一个.由于天文学家们的观测工具越来越灵敏,所以就必须不断往原始的“大爆炸”理论中塞进一个又一个用心良苦的假设――先是宇宙诞生大爆炸之后随即出现过短暂的“膨胀期”、存在大量看不见并无法解释的“暗物质”,现在则可能是正使宇宙加速扩张的某种神秘的东西.
“大爆炸”理论几乎从问世以来就一直命运多舛.通过间接测量星系之间的距离以及星系漂移的速度,著名天文学家埃德温·哈勃得出结论认为,宇宙大爆炸距今已有20亿年历史了.但是地质学家利用铀衰变为铅的速度却计算出地球本身的年龄为40亿年.
这一矛盾很快得到了解决.星系的移动速度是根据星系光线红移量测定的,这有点像远去的轮船汽笛声,音量急剧下降.对星系距离的测量甚至就更不确切了.人们不得不进行这样的推理,即如果能够在某个天体附近并一览无余地盯着看的话,该天体的亮度该有多大.通过将这种假设的固有亮度与实际上抵达地球的光线亮度相比较,我们就能估算出该天体与地球之间的距离了.直到1965年前后,该理论的拥护者还没有怀疑者多,当时天文学家阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现了无处不在的背景辐射,这是最初大爆炸留下的余光.再加上对最初大爆炸后形成丰富轻元素的预言得到验证,大爆炸理论似乎可以盖棺定论了.但并不是所有事情都能得到解释.例如,为什么无论在哪里出现的背景辐射都有完全一样的温度呢?这种吻合似乎过于完美,而显得不真实自然.还有更令人不可思议的,那就是宇宙匪夷所思的形状.一个“封闭”的宇宙是弯曲的,所以宇宙万物最终会崩溃.而一个“开放”的宇宙则将无限扩张.但是无论如何,我们自己的宇宙似乎是“平的”,介乎这两者之间.除非存在宽厚仁慈的独裁者,否则宇宙中一切怎么能够如此和谐呢?
1979年时出现了一个答案,当时物理学家艾伦·古思提出了一个假设,认为在最初大爆炸之后,宇宙紧接着进入超高速疯狂扩张期,宇宙体积成倍成倍地膨胀.该膨胀期只持续远远不到一秒钟的刹那间.但是计算结果表明,这就足以使辐射变得均匀,并使弯曲展平――消除了大爆炸留下的波纹,于是又恢复了宇宙常数.但是宇宙学家们随后又开始感到不安了,因为宇宙辐射过于均匀,这表明宇宙最初是均质单一的,后来莫名其妙地演化成我们今天所见到的不规则的宇宙,中间点缀着恒星、星系和巨大星系团.要想让这么多的物质凝结起来,似乎宇宙的年龄还不够大,引力也不够强.于是就出现了另一次修正.宇宙学家们已经发现,理论上存在的暗物质可以让“大爆炸”理论自圆其说.如果宇宙中存在足够多的这种看不见的物质,那么这种物质就可以产生额外的引力,促使形成巨型结构.“大爆炸”理论变得不再简单明了,现在甚至似乎变得越来越复杂了.以正在发生爆炸的恒星超新星作为测量距离的信标(因为可以用超新星闪烁的速度来估计它们的实际亮度),天文学家们得出这样一个结论,即宇宙可能正在莫名其妙地加速扩张.这下理论学家不得不又在忙着修补漏洞了.
迈向新思路
印度著名天文学家纳尔利卡尔提出了一种新的宇宙起源理论,对已被普遍接受的大爆炸理论提出了挑战.他说自己的理论能解释一些大爆炸所不能解释的宇宙问题.纳尔利卡尔现任设在印度南方城市浦那的宇宙与天体物理研究中心主任,他是和英国天文学家霍伊尔及在该中心工作的另外两名科学家共同提出这一新概念的.他们把自己的研究成果定名为“亚稳状态宇宙论”.他们认为,宇宙是由若干次小规模的爆炸而不是一次大爆炸形成的.
根据迄今解释宇宙诞生最权威的大爆炸理论,宇宙是150多亿年前从一个极小的点诞生的,从那里诞生了时间和空间、质量和能量,从而由物质小微粒聚集成大团的物质,最终形成星系、恒星和行星等.在大爆炸发生前,宇宙中没有物质,没有能量,甚至没有时间,更谈不上生命.尽管世界各国的科学家在多年的试验中找到了一些支持这种理论的证据,但是有一个根本问题一直没有得到令人满意的答案,那就是现在的宇宙在大爆炸发生之前到底是什么样,或者说发生这次大爆炸的原因是什么?按照大爆炸理论,宇宙没有开端.
印度科学家认为宇宙在最初的时候是一个被称为“创物场”巨大的能量库,而不是大爆炸理论所描述的没有时间、没有空间的奇点.在这个能量场中不断发生爆炸,逐渐形成了宇宙的雏形.此后在致密的巨大物体周围,在强大的引力波作用下不断发生小规模的爆炸,导致小范围空间的膨胀,不过膨胀的速度并非是匀速的.这些时快时慢的小规模膨胀综合在一起,形成了大尺度范围内宇宙的膨胀.纳尔利卡尔实际上30年前就提出了这一理论,但只是在最近开始使用计算机模拟技术来理解宇宙的形成模式以及诸如星系和空间等大尺度宇宙结构的发展过程.纳尔利卡尔说,他已从计算机模拟试验中获得了“令人惊奇”的初步结果.纳尔利卡尔认为,宇宙背景辐射是业已死亡的恒星发射的星光.
寻找解开背景辐射之谜的钥匙
弄清楚宇宙背景辐射到底来自何方,已经成为科学家共同关注的问题.
南极是科学家最先看中的地方.回顾天文学家在世界各地对苏梅克―列维9号彗星碎片撞击木星观测的效果,人们不难发现,茫茫冰原、终日黑夜笼罩下的南极为天文观测创造了得天独厚的条件.最先证实第一块碎片发生撞击的是设在智利(最接近南极的国家)的欧洲南方天文台;而最先报告最后一块碎片撞击的则来自美国国家科学基金会南极站.由于地球的自转、地球与木星相对位置的变化以及雨水、雾气、污染等因素的干扰,其他地区的天文台无法保证观测效果,但在受地球自转影响最小的南极,木星始终处于视线之内.目前,南极正处于冬季,黑夜时间长达半年,干燥程度相当于非洲的撒哈拉大沙漠,在红外线波段上的大气稳定程度和透明度超过了其他任何地区.此外,由于探测发热物体的红外线天文望远镜在冷冻状态下更为敏感,南极零下60摄氏度以下的气温为天文观测提供了极大优势.在一些红外线波段上,南极地区2英寸(5厘米)直径的望远镜可以获得与其他地区30英寸(76厘米)直径望远镜相当的效果.南极对于天文观测的价值正在引起重视.得到美国国家科学基金会2000万美元资助的美国南极天文研究中心已着手在“南极红外线探测望远镜”的基础上,再安装一台星际物质探测望远镜和一台宇宙背景辐射非均质体望远镜,其中部分设施已开始探测到宇宙创始初期留下的微波信号.科学家希望由此构成一座具有世界先进水平的天文台,揭开宇宙形成之谜.
更清楚地观测宇宙的地方当然是大气层以外.美国定于2007年发射一座装载于航天飞机上的空间天文台,以接替即将退役的哈勃太空望远镜的工作.
1990年升空的“太空千里眼”哈勃太空望远镜预计将在2010年结束使命.新的空间天文台实际上是一台大型太空望远镜,它发射升空后将被定位在距地球大约161万公里的位置上,比哈勃太空望远镜外形尺寸大3倍,分辨率高10倍,距地距离远3倍,能够探测到的范围也广泛得多.这台新型太空望远镜的建成将使人类空间观测发生巨大的变革,人类因此可能得以“进入”到宇宙诞生的边缘进行探测.这台太空望远镜的建造工作将于2003年开始.
背景辐射成为科学家的好帮手
宇宙背景辐射已经为科学研究带来帮助.美国和瑞典两国的天文学家利用背景辐射发现,恒星死亡前喷发出的气体形成的“飞镖”星云是迄今所知宇宙中最冷的地方,那里的温度低于零下270摄氏度.
据美国航空航天局发布的消息,加州喷气推进实验室的拉格文德拉·萨海和瑞典昂萨拉天文台的拉萨克·尼曼在一份提交给《天物理杂志通讯》的论文中说,他们利用智利的一台射电望远镜在次毫米波长范围内观察飞镖星云取得了上述发现.两位天文学家指出,即将死亡的恒星坍塌成白矮星之前,会释放出大量的气体和尘埃,形成飞镖星云.这些气体释放的速度很快,可达到每秒165公里,导致飞镖星云温度急剧下降.而在宇宙中,越冷的物质辐射越弱,其释放的微波信号也越弱.为确定飞镖星云的具体温度,两位研究人员将来自飞镖星云内一氧化碳的微波信号和宇宙背景辐射中的信号进行了比较,发现飞镖星云的信号更弱,这表明飞镖星云的温度低于宇宙基础温度3开氏度(亦称“K氏度”,绝对温度单位),即零下270摄氏度.萨海说:“除了实验室取得的人造低温外,在自然界中从未发现过比飞镖星云温度更低的地方.”他同时指出,这一发现表明人类对恒星的死亡过程还知之甚少,因为恒星释放的外围气体很快变冷,人类可能从未探测到恒星中残留的大量物质.
英国天文学家利用背景辐射提出一种新假说,认为黑洞附近能量输出可能超出人们原先的估计.该假说推测说,自大爆炸以来,宇宙中所产生的能量辐射可能有接近一半来自黑洞.
据英国皇家天文学会介绍,英国剑桥大学天文学研究所的安德鲁·费边教授对目前观测到的宇宙背景辐射资料进行分析后认为,这些射线的来源无法完全用恒星或普通亮度的类星体等天体来解释.他认为,宇宙中可能还存在着大量没有发现的暗类星体,这些类星体中包含黑洞,这些黑洞可能是宇宙中各类辐射的重要来源.由于利用现有手段难以被观测到,这些黑洞周围所产生的巨大能量远远没有得到充分认识.
费边教授对包含在暗类星体中的黑洞周围能量的产生机制进行了剖析.他说,黑洞的巨大引力具有一个临界区域.进入这一区域后,包括光在内的一切物质都无法逃逸.而在这个区域之外,黑洞引力虽大,但并非所有物质都无法逃脱.一些被黑洞吸引而向其内部高速旋进的超高温气体,在运动中产生的强烈辐射会挣脱黑洞引力而向周围扩散.这些辐射包括可见光、红外线、紫外线及其它射线,但其中可见光和紫外线在试图从黑洞区域逃逸时,会被暗类星体中的尘埃和气体等吸收,被吸收的辐射会再以远红外线的形式重新发散.这部分远红外线和来自黑洞区域的其它射线具有穿透气体和尘埃的能力.
本文摘自《百年科学发现》