各行各業(yè)都有自己的一套方法論，天文學(xué)家也有自己的一套方法論，他們有個(gè)特點(diǎn)，那就是特別喜歡用“模型”，這是因?yàn)槟軌颢@得數(shù)據(jù)很少，湊模型才能解決很多問題。但并不是說，天文學(xué)家就沒有其他的辦法，他們其實(shí)現(xiàn)在人手一份武功秘籍，這就是宇宙微波背景輻射。

你可能看不出什么門道來，但是對于天文學(xué)家來說，這本武功秘籍越是精確，他們能得到的信息就越多，越精準(zhǔn)。更讓人感到不可思議的是，他們可以從這張圖中讀到許多宇宙過去100多億年的歷史，以及900多億光年直徑的可觀測宇宙空間內(nèi)發(fā)生的事情。

那具體是咋回事呢？我們今天就來好好地聊一聊：

發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射

1964~1965年，美國的貝爾實(shí)驗(yàn)室的無線電工程師彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了一個(gè)遍布全天的背景噪音，無論如何想辦法去消除這個(gè)噪音都沒有辦法。后來，他們和天文學(xué)家們進(jìn)行一系列的討論之后，才了解到他們找到了一個(gè)宇宙大爆炸的證據(jù)：宇宙微波背景輻射。

阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜測量溫度約為3 K。羅伯特·迪克，P.J.E.皮布爾斯，P.G.Roll及威爾金森解釋這種輻射是大爆炸的印記。具體來說，我們可以這么理解，宇宙誕生與一個(gè)炙熱的開端，我們管這個(gè)開端叫做：奇點(diǎn)。

奇點(diǎn)有三個(gè)特點(diǎn)：溫度無限高，體積無限小，空間曲率無限大。

宇宙大爆炸發(fā)生之后，宇宙的空間一開始出現(xiàn)了指數(shù)級的膨脹，后來慢慢減速膨脹。整個(gè)過程溫度都在下降。

當(dāng)宇宙大爆炸之后的第38萬年起，宇宙大爆炸時(shí)的余熱就以電磁波形式在宇宙中傳播開來，也就是宇宙微波背景輻射了。

宇宙微波背景輻射的特點(diǎn)

宇宙微波背景輻射之所以能夠起到很大的作用，主要是因?yàn)槿矫娴脑颍謩e是信息量大，看得遠(yuǎn)以及能回溯過去。而信息量大主要體現(xiàn)在，它是信息的背景，說白了就是宇宙微波背景輻射是穿過了各種天體和宇宙空間才來到地球，被我們觀測到，因此，它自身承載了各種天體和宇宙空間的狀態(tài)變化，這些信息都隱含在宇宙微波背景輻射當(dāng)中，因此說它信息量大一點(diǎn)都不為過。

根據(jù)現(xiàn)在對于宇宙微波背景輻射的觀測和研究來看，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，

它的紅移量大概在1100上下。

具體啥意思呢？首先，我們要搞懂紅移是干嘛的？紅移是說，

電磁輻射因?yàn)槟撤N原因，波長增加，頻率降低，也就是光譜朝著紅端移動(dòng)一段距離。

我們觀測天體，說白了是通過電磁波，但是如果空間發(fā)生膨脹，電磁波就會(huì)把拉伸。看上去，就好像遠(yuǎn)離我們一樣，這其實(shí)就是宇宙微波背景輻射的紅移。下圖中，上半部分就是紅移。

宇宙微波背景輻射在光譜上的波長往紅端方向移動(dòng)了1100倍左右，我們可以對其進(jìn)行距離上的換算，這個(gè)距離大概就有450億光年以上。也就是說，宇宙微波背景輻射為我們提供了半徑為450億光年以上的觀測范圍，所以，我們才能看得遠(yuǎn)。

除此之外，按照宇宙大爆炸模型，宇宙微波背景輻射其實(shí)是宇宙大爆炸時(shí)的余熱。

在宇宙打爆之后的38萬年后，就開始在宇宙中傳播，可以說這是我們能夠觀測到的古老的電磁波了，我們可以從宇宙微波背景輻射當(dāng)中獲取到宇宙早期的情況，所以才說能回溯過去。

宇宙微波背景輻射有什么用？

早期觀測的宇宙微波背景輻射的圖像是特別粗糙的，從中很難得到精確的信息，信息密度也不夠高。后來，科學(xué)家想盡更重辦法去提供整個(gè)觀測精度，得到了更好的宇宙微波背景輻射的圖像。

其中在1989年發(fā)射的COBE衛(wèi)星，就大幅度提升了人類對于宇宙的認(rèn)識。COBE衛(wèi)星獲得到的宇宙微波背景輻射并不是均勻的，而是存在10萬分之一的微小起伏，那這有什么意義呢？

這一點(diǎn)微小的起伏其實(shí)代表著宇宙不同地方的物質(zhì)密度是不一樣的，同時(shí)也預(yù)示著這點(diǎn)微小的差異在宇宙未來的演化過程中對應(yīng)著形成各種各樣不同的結(jié)構(gòu)，這個(gè)不同的結(jié)構(gòu)其實(shí)就是恒星和星系。也就是說，星系和恒星其實(shí)就是來自于物質(zhì)密度的微小差異。

如果宇宙初期是絕對的、完美的平均，那么所有的物質(zhì)都會(huì)處于一種平衡狀態(tài)，也就沒有辦法聚集在一起形成星系或者恒星了。

后來，2009年歐洲航天局發(fā)射了普朗克太陽望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家想獲得更加精確的宇宙微波背景輻射圖象，所以普朗克望遠(yuǎn)鏡是跑到地球軌道上，繞著太陽運(yùn)動(dòng)，這樣就不會(huì)受到地球的干擾。它距離地球的距離是月球距離地球距離的4倍。普朗克衛(wèi)星后來進(jìn)行了長達(dá)5年的持續(xù)觀測，得到了目前為止最精密的宇宙微波背景輻射的資料。

這些資料要遠(yuǎn)比COBE衛(wèi)星發(fā)回來的還要精準(zhǔn)得多得多，精確度高出一個(gè)數(shù)量級，很多細(xì)節(jié)部分得到了補(bǔ)充。通過普朗克衛(wèi)星發(fā)回的宇宙微波背景輻射，我們得到許多目前天文學(xué)最新的數(shù)據(jù)，我們可以簡單羅列一下：

宇宙的年齡從137億年變更為138億年。（更精確的說法是137.99±0.21億年）
哈勃常數(shù)測定為67.15 km/s/Mpc，哈勃常數(shù)有什么用，我們下文具體介紹。
宇宙的物質(zhì)組成如下：（這里強(qiáng)調(diào)一下，其實(shí)這是觀測結(jié)合了理論進(jìn)行計(jì)算得到的，并不是直接觀測出來的。）

其他參數(shù)都好理解，但哈勃常數(shù)就比較復(fù)雜了，哈勃常數(shù)原本是描述星系紅移的速率。但在這里其實(shí)和宇宙的密度，科學(xué)家假定宇宙是平坦的，意思是宇宙不彎曲。事實(shí)上，普朗克衛(wèi)星觀測的結(jié)果也確實(shí)是這樣，在千分之六的精度上是平坦的。于是，我們可以得到一個(gè)宇宙密度公式，這當(dāng)中的未知參數(shù)是哈勃常數(shù)，帶入就可以知道如今的宇宙密度。有了如今的宇宙密度，再和宇宙的臨界密度做比值，就可以得到一個(gè)參數(shù)Ω。

根據(jù)Ω具體的取值，我們可以知道宇宙的形狀。