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宇宙背景辐射

定义：来自无明显分立源天区的各向同性电磁辐射.在不同波段，辐射有不同的起源，并可具有非宇宙学起源.

所属学科：天文学（一级学科）；星系和宇宙（二级学科）

百科名片:宇宙微波背景辐射（又称3K背景辐射）是一种充满整个宇宙的电磁辐射.特征和绝对温标2.725K的黑体辐射相同.频率属于微波范围.宇宙微波背景辐射产生于大爆炸后的三十万年.大爆炸宇宙学说认为，当宇宙发生大爆炸时，开始时宇宙的温度是极高的，之后慢慢降温，刚到现在约150亿年后大约还残留着3K左右的热辐射.

概念: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.

特征：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.

起因：1964年，美国贝尔电话实验室的两位工程师彭齐亚斯（Penzias，A.A.）和威耳逊（Wilson，R.W.）为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的接收天线系统.他们安装了一架卫星通讯用的喇叭形天线.这架天线有很强的方向性，即喇叭口对向天空中某方向时，地面及空中其它方向光波干扰都很微小.为了检验这台天线的低噪声性能，他们避开噪声源而将天线指向天空进行测量，在波长7.35厘米处所作的测量已经表明，无论天线指向什么天区，总会接收到一定的微波噪声.这种噪声相当显著，并且与方向无关.他们日复一日，月复一月地进行测量，结果都是一样.它既没有周日变化，也没有季节变化.与地球的自转和公转运动也没有明显关系.起先，他们怀疑这种噪声来自天线系统本身.1965年初，他们又对天线进行了彻底检查.他们拆卸了天线的喉部，发现有个鸽子窝，他们又把鸽子窝清除掉.虽然做了种种努力，仍无法把噪声降下来.从而排除了这种噪声来自天线系统本身的可能性.就是说，这种噪声应当是来自空间的一种辐射.这种辐射相当于绝对温度在2.5－4.5K之间的黑体辐射，通常称之为3K宇宙微波背景辐射.由于天顶方向和地平方向的大气厚度明显不同，彭齐亚斯和威尔逊测得的这种辐射与方向无关，排除了地球大气层起源的可能性.由于银河系物质分布不均匀，因而也排除了银河系起源的可能性.微波背景辐射只可能来自广阔的宇宙.更精确地说，微波背景辐射是高度各向同性的温度约为2.7K的黑体辐射，这是一种充满宇宙各处的均匀辐射.彭齐亚斯和威尔逊在进行这项重要工作时，只是为了测试他们的天线的性能.作为工程师，在完成这项工作后以《在4080兆赫上额外天线温度的测量》为标题在《天体物理杂志》上发表他们的结果，意思是说，他们在频率4080兆赫（即波长7.35厘米）处对天线噪声测得的有效温度比预期值高2.5－4.5度.1965年他们又将其修正为3K，并将这一发现公布，为此获得了1978年的诺贝尔物理学奖.宇宙微波背景辐射是无处不在的3K热(黑体)辐射，因其峰值在微波区而得名.那问题就来了，这个背景辐射只是一个3K的低温热辐射而已，而我们周围可是有一层厚厚的大气，温度在300K左右.根据黑体辐射公式，大气的热辐射在微波区要比3K的背景辐射强得多，我们怎么可能观测得到这个背景辐射呢?哪里才是解释的关键呢?因为地球大气的辐射95％以上的能量集中在3～120微米内，只要测量远大于120微米波长的辐射，可以认为不受大气辐射的影响.但波长大于1米，会受到银河系高频辐射的影响.从那以后，已经有许多人对微波背景辐射作了详细的研究，在相当宽的波长范围内得到了支持黑体辐射谱的结果.也证明了高度各向同性.1989年11月宇宙背景探索卫星（COBE）升空，获得了丰富的数据，证明实测的微波背景辐射谱非常精确地符合温度为2.726±0.010K的黑体辐射谱，观测数据与黑体辐射理论曲线的符合情况极好，卫星同时证明，这种辐射具有高度各向同性.1965年初，彭齐斯和威尔逊与狄克小组进行了互访，最后共同确认这个相当于3K的宇宙背景辐射就是“原始火球”的残余辐射.这是对大爆炸理论的强有力支持，从此，大爆炸理论又获得了新生.这一发现终于被狄克、皮伯斯、劳尔和威金森等人作为宇宙大爆炸理论的证据.也就是说，宇宙大爆炸后约200亿年的今天，在宇宙间还残留着3K左右的辐射.1948年，美国科学家阿尔弗(RalphAlpher)和赫尔曼(RobertHerman)预言，宇宙大爆炸产生的残系辐射，由于宇宙的膨胀和冷却，如今它所具有的温度约为绝对零度以上5开，或者说5K(绝对零度等于摄氏零下273度，即-273℃).但是他们的预言并未引起人们的普遍重视.

发展：但是多年以后，即1965年，美国新泽西州贝尔实验室的两位无线电工程师阿尔诺·彭齐亚斯(ArnoPenzias)和罗伯特·威尔逊(RobertWilson)却十分意外地发现了这种宇宙辐射场，当时他们正在为跟踪一颗卫星而校准一具很灵敏的无线电天线.与此同时，在附近的普林斯顿大学，由罗伯特·迪克(RobertDicke)领导的一个科学家小组已独立地重新发现了阿尔弗和赫尔曼早先作过的预言，并着手设计一台探测器以供搜索大爆炸的残留辐射.他们听说了贝尔实验室这台接收器中存在着无法阐明的噪声，并立即将它解释为源自大爆炸的残余辐射.它相当于在光波谱的微波部分波长为7．35厘米的某种无线电波信号；如果假设它是热辐射，那么它所具有的能量就相应于2.7K的温度--这与阿尔弗和赫尔曼富于灵感的估计非常接近.它被称为"宇宙微波背景辐射".宇宙微波背景辐射的存在，给大爆炸理论以有力的支持.恩格斯说“只有证明了由辐射而散失到空间的能量可以汇聚起来并重新参与活动，才能彻底证明唯物论成立.”据2010年11月25日出版的《科技日报》记者常丽君报道，2010年11月23日美国物理学家组织网公布，在宇宙微波背景辐射中发现了一种圆环结构；科学家解释说，发现宇宙微波背景辐射中存在圆环结构并不是对大爆炸理论的否定，而是支持可能存在多次大爆炸.这是英国牛津大学物理学家罗杰·彭罗斯和亚美尼亚埃里温物理研究院的瓦赫·古萨德扬最近的发现.