早期宇宙与宇宙起源

宇宙微波背景各向异性

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如果你给微波天空拍张照,再把对比度拉到足够大,一片惊人均匀的辉光便会显露出微弱的斑驳图样——一块块略暖与略冷的斑点织成的精细拼布,像蛋壳上的细斑。宇宙微波背景几乎完美地光滑,每个方向温度相同,但并非分毫不差。那些对完美平滑的微小偏离,就是宇宙微波背景各向异性;解读它们,已成为我们丈量整个宇宙最精确的手段之一。

「各向异性」不过是说「在各个方向上不尽相同」。宇宙微波背景的平均温度是比绝对零度高 2.725 度,而各向异性只是约十万分之一的偏离——斑点与斑点之间相差几十个百万分之一度。这些略暖与略冷的斑块,是最后散射那一刻原初密度涨落的一幅直接图像:略密的区域略热一丝,略空的区域略冷一丝。所以这张斑点图,是一切宇宙结构之种的照片,被冻结在宇宙三十八万岁之时。(不过必须先减去一块更大、更平滑的偏倚,那仅仅是我们自身穿越空间的运动造成的,即所谓的偶极。)

这些微弱的细斑信息量极大。对热斑与冷斑的大小和排布作统计分析——尤其是一系列被偏爱的斑点尺度,称为声学峰——能让宇宙学家以惊人的精度称量宇宙的成分:有多少普通物质、多少暗物质、多少暗能量,以及空间的几何(宇宙微波背景告诉我们,空间平直到不足一个百分点的误差以内)。名为 COBE、WMAP 和普朗克的卫星,以越来越精细的程度绘制了这些各向异性,它们的测量是现代宇宙学的一块基石。在一种真切的意义上,我们声称对宇宙的成分与历史所知道的许多事,都是从这片比绝对零度高两度的微弱斑点中读出来的。

如果把整片微波天空比作平静海面那光滑的水面,各向异性就是只有其十万分之一高的涟漪——若没有能感知百万分之一度的仪器,根本无从看见。COBE 卫星在 1992 年首次探测到它们;这一发现被称作「看见了上帝的脸」,因为那微弱的纹理,正是每一个星系之种的印记。

宇宙微波背景中那微弱的冷热图样,编码着宇宙的成分与几何。

各向异性是真实的宇宙学信号,但一块大得多的表观不均匀——偶极——仅仅是我们自身穿越空间的运动,必须先把它除去。真正的涟漪只有十万分之一。

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