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(wèn)題。但并不是說(shuō)，天文學(xué)家就沒(méi)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(mén)道來(lái)，但是對(duì)于天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，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(guò)去100多億年的歷史，以及900多億光年直徑的可觀測(cè)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(lái)好好地聊一聊：

發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射

1964~1965年，美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室的無(wú)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(wú)論如何想辦法去消除這個(gè)噪音都沒(méi)有辦法。后來(lái)，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(cè)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(lái)說(shuō)，我們可以這么理解，宇宙誕生與一個(gè)炙熱的開(kāi)端，我們管這個(gè)開(kāi)端叫做：奇點(diǎn)。

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

宇宙大爆炸發(fā)生之后，宇宙的空間一開(kāi)始出現(xiàn)了指數(shù)級(jí)的膨脹，后來(lái)慢慢減速膨脹。整個(gè)過(guò)程溫度都在下降。

當(dāng)宇宙大爆炸之后的第38萬(wàn)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(kāi)來(lái)，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?，分別是信息量大，看得遠(yuǎn)以及能回溯過(guò)去。而信息量大主要體現(xiàn)在，它是信息的背景，說(shuō)白了就是宇宙微波背景輻射是穿過(guò)了各種天體和宇宙空間才來(lái)到地球，被我們觀測(cè)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(shuō)它信息量大一點(diǎn)都不為過(guò)。

根據(jù)現(xiàn)在對(duì)于宇宙微波背景輻射的觀測(cè)和研究來(lái)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(shuō)，

電磁輻射因?yàn)槟撤N原因，波長(zhǎng)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(cè)天體，說(shuō)白了是通過(guò)電磁波，但是如果空間發(fā)生膨脹，電磁波就會(huì)把拉伸?？瓷先?，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(zhǎng)往紅端方向移動(dòng)了1100倍左右，我們可以對(duì)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(shuō)，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(cè)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(wàn)年后，就開(kāi)始在宇宙中傳播，可以說(shuō)這是我們能夠觀測(cè)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(shuō)能回溯過(guò)去。

宇宙微波背景輻射有什么用？

早期觀測(cè)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(lái)，科學(xué)家想盡更重辦法去提供整個(gè)觀測(cè)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(lèi)對(duì)于宇宙的認(rèn)識(shí)。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(wàn)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(lái)的演化過(guò)程中對(duì)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(shuō)，星系和恒星其實(shí)就是來(lái)自于物質(zhì)密度的微小差異。

如果宇宙初期是絕對(duì)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(méi)有辦法聚集在一起形成星系或者恒星了。

后來(lái)，2009年歐洲航天局發(fā)射了普朗克太陽(yáng)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(yáng)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(lái)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)5年的持續(xù)觀測(cè)，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(lái)的還要精準(zhǔn)得多得多，精確度高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，很多細(xì)節(jié)部分得到了補(bǔ)充。通過(guò)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(jiǎn)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(shuō)法是137.99±0.21億年）
• 哈勃常數(shù)測(cè)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(cè)結(jié)合了理論進(jìn)行計(jì)算得到的，并不是直接觀測(cè)出來(lái)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(cè)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。

同時(shí)，它還對(duì)應(yīng)了宇宙的未來(lái)。

因此，宇宙微波背景輻射本質(zhì)上是一個(gè)可以告訴科學(xué)家宇宙各種參數(shù)的“武功秘籍”，它讓科學(xué)家知道宇宙的過(guò)去，現(xiàn)在和未來(lái)。