cosmic microwave background radiation
宇宙微波背景
散布于宇宙空间的微波辐射，显示了自大爆炸之后，宇宙在不断冷却的事实。
所谓宇宙背景辐射，是一群古老的光子。光的传播跟声音传播一样，需要一段时间传递。在一个山头打出的光，另一山头的人需一段时间後才能看到，因为光有一定的速度，因此我们所看到越远的东西，事实上是它越早之前发出的光，经过一段时间才到达你的眼睛。因此在宇宙中，当我们看越遥远的星体，看到的是它越早以前的样子，我们不仅看见140亿光年大小的宇宙，也可以看到140亿年前的宇宙。宇宙背景辐射是在宇宙大爆炸後10万年发出，经过140亿光年才到达地球。1992年美国太空总署人造卫星COBE第一次成功看到全天早期宇宙长相，记载各个不同方向上古老光子的强度，即各方向上宇宙140亿年前的长相。这项发现大大震撼了90年代的天文界，因为推翻了原来大家以为早期宇宙的光应是均匀分布的想法。
首先发现宇宙微波背景辐射的两位工程师，原是要建造无线电天线，却因侦测到始终无法改善的杂讯，进而发现了宇宙微波背景辐射，在1965年发表相关论文，并在1967年获得诺贝尔物理奖。由1992年至今的10多年间，全世界有超过10个以上的观测实验，成功侦测到宇宙140亿年前的面貌。最近较为重大的发现，为美国航太总署的威金森微波异向性探测器（WMAP）侦测到宇宙140亿年前的详细面貌，解析度较之前改进许多。因此，1992年便成为现代宇宙学的起点。
宇宙学主要的观测证据即为宇宙背景辐射。因为我们知道宇宙在膨胀，当我们将时间往回推时，宇宙越缩越小，会发现宇宙早期压力、密度皆极大，当压力密度极大时，电子会游离出来，就像水在高温时变为水蒸气，光遇到电子会无法直线前进，被电子散射。如同透过水蒸气无法看到对面的人，因为光被水蒸气所散射。所以早期宇宙为不透明的宇宙。直到宇宙年龄10万年左右，膨胀使温度降到约3000度，电子与质子结合成为电中性的氢之後，光终於得以直线前进。所以我们现在只能看到宇宙大爆炸10万年後的宇宙，因为在此之前宇宙是不透明的。因为这些光已在宇宙中穿梭了140亿年，所以在这140亿年中，宇宙中发生的所有事情，皆可以藉由这些光得知。
这就如同观众与讲台萤幕的关系：若观众为地球，萤幕假设为最後散射面，若观众与萤幕之间有一苍蝇飞过，观众可以发现苍蝇的存在，因为萤幕的光可以把苍蝇照出来，但若萤幕与房间皆为黑暗，则苍蝇不会被发现，所以宇宙微波背景辐射可以说是提供了一个背景光，使140亿年来发生的事件皆可藉由这些背景光照射出来。为什麼星光不行呢？因为即使最早的星系也是在60、70亿年前形成的，最早的宇宙并没有星系。根据爱因斯坦的广义相对论，宇宙膨胀时会将光波的波长拉长，早期宇宙光波到达地球时，波长会被拉长数毫米，即为微波的范围，微波是肉眼无法看见的，否则在使用微波炉时，会看见微波炉是整个发亮的。因此要利用微波望远镜才能看到微波背景辐射。而所谓的「宇宙弦」概念如同冰块的断面，冰块的断面是因为水在降温的过程，不同区域结晶方向不同，所以产生断裂。宇宙弦的存在间接证明统一场论的存在，宇宙弦的寻找也是藉由宇宙背景辐射的观测。
想像萤幕的光是均匀的，若观众与萤幕之间有一条宇宙弦垂直於地面存在，由左向右移动，会发现萤幕左半边的光变得比较亮，这是广义相对论告诉我们的结果，所以当光到达地球的过程中，如果有宇宙弦存在，我们会看见天空有某一半边比较亮。光学望远镜因口径有限，所以可以看到的距离有限，目前全世界最大望远镜为夏威夷茂纳开亚的10公尺凯克（Keck）望远镜。同样亮度的星若放在较远的距离，亮度会变得较暗，因此光学望远镜无法看到太暗的天体，但藉由宇宙微波背景辐射却可以看见。因为无论苍蝇介於萤幕与观众间的何处，萤幕的光皆会通过它，所以我们都可以看到那只苍蝇。因此无论该星有多暗、多远，即使再远也仍介於宇宙微波背景辐射与我们之间，所以透过观测宇宙微波背景辐射，我们可以看见全宇宙最早诞生的星系。
此外我们还可以藉由宇宙微波背景辐射研究黑洞：若我们与宇宙背景辐射之间存在一巨大黑洞，会看见如同中间放了一个放大镜一样，中间部份被放大，这就是所谓「重力透镜效应」，简言之，若我们与遥远星间存在一巨大黑洞，根据广义相对论，光在通过强大重力场时，光的路径会偏折，所以对观测者而言，星星的位置会改变，如同放大镜的放大效应，可利用此原理来寻找黑洞。 |