宇宙微波背景辐射

宇宙微波背景辐射是宇宙首次变得透明时释放出的微弱、近乎均匀的遗迹辐射，它是我们能观测到的最古老的光，也是热大爆炸模型的基石。

Definition

宇宙微波背景辐射是宇宙早期炽热、致密阶段遗留下来的热辐射，在大爆炸后约38万年，电子和质子结合成中性原子时发出，现在观测到的是充满整个空间的2.7开尔文黑体辐射。

Scope

该领域涵盖了宇宙微波背景辐射的发现及其近乎完美的黑体谱，复合物理学及其起源的最后散射面，编码宇宙内容和几何结构的微小温度各向异性及其角功率谱，以及探测早期宇宙和再电离时代的微弱偏振。

Sub-topics

• 宇宙微波背景辐射各向异性与功率谱
• 宇宙微波背景辐射的发现与黑体谱
• 宇宙微波背景辐射偏振
• 复合与最后散射

Core questions

• 为什么宇宙会发出近乎均匀的微波辐射？
• 什么事件释放了宇宙微波背景辐射，以及何时？
• 其微小的各向异性如何揭示宇宙的组成和几何结构？
• 它的偏振告诉我们关于早期宇宙的什么信息？

Key concepts

• 黑体谱
• 最后散射面
• 复合
• 温度各向异性
• 声学峰
• 角功率谱
• 偏振

Key theories

遗迹黑体辐射

炽热的早期宇宙充满了处于热平衡状态的辐射，在与物质解耦后，今天仍以近乎完美的黑体谱形式存在，并因膨胀冷却至几开尔文。

声学峰

原初等离子体中的声波在温度各向异性的角功率谱中留下了特征性的峰系列，其位置和高度严格限制了宇宙学参数。

Clinical relevance

宇宙微波背景辐射是宇宙学中最强大的观测支柱：其黑体谱证实了热大爆炸理论，其各向异性以百分之几的精度测量了普通物质、暗物质和暗能量的密度，其统计数据检验了暴胀理论和空间几何。

History

20世纪40年代，伽莫夫团队预测了遗迹辐射的存在，迪克和皮布尔斯在理论上重新发现了它。1965年，彭齐亚斯和威尔逊偶然发现了这种背景辐射；20世纪90年代，COBE证实了其黑体谱并探测到各向异性；WMAP和Planck以高精度绘制了其图谱，从而确立了宇宙学标准模型。

Debates

大尺度异常

在最大角尺度上的一些意外特征，例如低四极矩和明显的对齐现象，引发了关于它们是统计上的偶然事件、前景污染还是超越标准模型的新物理的争论。

Key figures

• Arno Penzias
• Robert Wilson
• Robert Dicke
• James Peebles
• George Smoot

Seminal works

• penzias1965
• dicke1965

Frequently asked questions

为什么宇宙微波背景辐射处于微波波段？

它最初以可见光和红外光的形式从大约3000开尔文的等离子体中发出，但宇宙的膨胀使其波长拉伸了大约一千倍，将其红移到微波区域，并冷却到大约2.7开尔文。

我们能看到比宇宙微波背景辐射更古老的东西吗？

就光而言不能：在复合之前，宇宙对光子是不透明的，因此宇宙微波背景辐射是可观测到的最早的电磁信号；要追溯到更早的时代，需要其他信使，如中微子或引力波。