早期宇宙與宇宙起源

宇宙微波背景各向異性

/ C-M-B an-eye-SOT-ruh-pees /

如果你給微波天空拍張照,再把對比度拉到足夠大,一片驚人均勻的輝光便會顯露出微弱的斑駁圖樣——一塊塊略暖與略冷的斑點織成的精細拼布,像蛋殼上的細斑。宇宙微波背景幾乎完美地光滑,每個方向溫度相同,但並非分毫不差。那些對完美平滑的微小偏離,就是宇宙微波背景各向異性;解讀它們,已成為我們丈量整個宇宙最精確的手段之一。

「各向異性」不過是說「在各個方向上不盡相同」。宇宙微波背景的平均溫度是比絕對零度高 2.725 度,而各向異性只是約十萬分之一的偏離——斑點與斑點之間相差幾十個百萬分之一度。這些略暖與略冷的斑塊,是最後散射那一刻原初密度漲落的一幅直接圖像:略密的區域略熱一絲,略空的區域略冷一絲。所以這張斑點圖,是一切宇宙結構之種的照片,被凍結在宇宙三十八萬歲之時。(不過必須先減去一塊更大、更平滑的偏倚,那僅僅是我們自身穿越空間的運動造成的,即所謂的偶極。)

這些微弱的細斑信息量極大。對熱斑與冷斑的大小和排佈作統計分析——尤其是一系列被偏愛的斑點尺度,稱為聲學峰——能讓宇宙學家以驚人的精度稱量宇宙的成分:有多少普通物質、多少暗物質、多少暗能量,以及空間的幾何(宇宙微波背景告訴我們,空間平直到不足一個百分點的誤差以內)。名為 COBE、WMAP 和普朗克的衛星,以越來越精細的程度繪製了這些各向異性,它們的測量是現代宇宙學的一塊基石。在一種真切的意義上,我們聲稱對宇宙的成分與歷史所知道的許多事,都是從這片比絕對零度高兩度的微弱斑點中讀出來的。

如果把整片微波天空比作平靜海面那光滑的水面,各向異性就是只有其十萬分之一高的漣漪——若沒有能感知百萬分之一度的儀器,根本無從看見。COBE 衛星在 1992 年首次探測到它們;這一發現被稱作「看見了上帝的臉」,因為那微弱的紋理,正是每一個星系之種的印記。

宇宙微波背景中那微弱的冷熱圖樣,編碼著宇宙的成分與幾何。

各向異性是真實的宇宙學信號,但一塊大得多的表觀不均勻——偶極——僅僅是我們自身穿越空間的運動,必須先把它除去。真正的漣漪只有十萬分之一。

又稱
CMB temperature fluctuationsCMB ripples宇宙微波背景温度起伏微波背景涨落