cosmic microwave background radiation
宇宙微波背景
散布於宇宙空間的微波輻射，顯示了自大爆炸之後，宇宙在不斷冷卻的事實。
所謂宇宙背景輻射，是一群古老的光子。光的傳播跟聲音傳播一樣，需要一段時間傳遞。在一個山頭打出的光，另一山頭的人需一段時間後才能看到，因為光有一定的速度，因此我們所看到越遠的東西，事實上是它越早之前發出的光，經過一段時間纔到達你的眼睛。因此在宇宙中，當我們看越遙遠的星體，看到的是它越早以前的樣子，我們不僅看見140億光年大小的宇宙，也可以看到140億年前的宇宙。宇宙背景輻射是在宇宙大爆炸後10萬年發出，經過140億光年纔到達地球。1992年美國太空總署人造衛星COBE第一次成功看到全天早期宇宙長相，記載各個不同方向上古老光子的強度，即各方向上宇宙140億年前的長相。這項發現大大震撼了90年代的天文界，因為推翻了原來大傢以為早期宇宙的光應是均勻分佈的想法。
首先發現宇宙微波背景輻射的兩位工程師，原是要建造無綫電天綫，卻因偵測到始終無法改善的雜訊，進而發現了宇宙微波背景輻射，在1965年發表相關論文，並在1967年獲得諾貝爾物理奬。由1992年至今的10多年間，全世界有超過10個以上的觀測實驗，成功偵測到宇宙140億年前的面貌。最近較為重大的發現，為美國航太總署的威金森微波異嚮性探測器（WMAP）偵測到宇宙140億年前的詳細面貌，解析度較之前改進許多。因此，1992年便成為現代宇宙學的起點。
宇宙學主要的觀測證據即為宇宙背景輻射。因為我們知道宇宙在膨脹，當我們將時間往回推時，宇宙越縮越小，會發現宇宙早期壓力、密度皆極大，當壓力密度極大時，電子會遊離出來，就像水在高溫時變為水蒸氣，光遇到電子會無法直綫前進，被電子散射。如同透過水蒸氣無法看到對面的人，因為光被水蒸氣所散射。所以早期宇宙為不透明的宇宙。直到宇宙年齡10萬年左右，膨脹使溫度降到約3000度，電子與質子結合成為電中性的氫之後，光終於得以直綫前進。所以我們現在衹能看到宇宙大爆炸10萬年後的宇宙，因為在此之前宇宙是不透明的。因為這些光已在宇宙中穿梭了140億年，所以在這140億年中，宇宙中發生的所有事情，皆可以藉由這些光得知。
這就如同觀衆與講臺螢幕的關係：若觀衆為地球，螢幕假設為最後散射面，若觀衆與螢幕之間有一蒼蠅飛過，觀衆可以發現蒼蠅的存在，因為螢幕的光可以把蒼蠅照出來，但若螢幕與房間皆為黑暗，則蒼蠅不會被發現，所以宇宙微波背景輻射可以說是提供了一個背景光，使140億年來發生的事件皆可藉由這些背景光照射出來。為什麼星光不行呢？因為即使最早的星係也是在60、70億年前形成的，最早的宇宙並沒有星係。根據愛因斯坦的廣義相對論，宇宙膨脹時會將光波的波長拉長，早期宇宙光波到達地球時，波長會被拉長數毫米，即為微波的範圍，微波是肉眼無法看見的，否則在使用微波爐時，會看見微波爐是整個發亮的。因此要利用微波望遠鏡才能看到微波背景輻射。而所謂的「宇宙弦」概念如同冰塊的斷面，冰塊的斷面是因為水在降溫的過程，不同區域結晶方向不同，所以産生斷裂。宇宙弦的存在間接證明統一場論的存在，宇宙弦的尋找也是藉由宇宙背景輻射的觀測。
想像螢幕的光是均勻的，若觀衆與螢幕之間有一條宇宙弦垂直於地面存在，由左嚮右移動，會發現螢幕左半邊的光變得比較亮，這是廣義相對論告訴我們的結果，所以當光到達地球的過程中，如果有宇宙弦存在，我們會看見天空有某一半邊比較亮。光學望遠鏡因口徑有限，所以可以看到的距離有限，目前全世界最大望遠鏡為夏威夷茂納開亞的10公尺凱剋（Keck）望遠鏡。同樣亮度的星若放在較遠的距離，亮度會變得較暗，因此光學望遠鏡無法看到太暗的天體，但藉由宇宙微波背景輻射卻可以看見。因為無論蒼蠅介於螢幕與觀衆間的何處，螢幕的光皆會通過它，所以我們都可以看到那衹蒼蠅。因此無論該星有多暗、多遠，即使再遠也仍介於宇宙微波背景輻射與我們之間，所以透過觀測宇宙微波背景輻射，我們可以看見全宇宙最早誕生的星係。
此外我們還可以藉由宇宙微波背景輻射研究黑洞：若我們與宇宙背景輻射之間存在一巨大黑洞，會看見如同中間放了一個放大鏡一樣，中間部份被放大，這就是所謂「重力透鏡效應」，簡言之，若我們與遙遠星間存在一巨大黑洞，根據廣義相對論，光在通過強大重力場時，光的路徑會偏折，所以對觀測者而言，星星的位置會改變，如同放大鏡的放大效應，可利用此原理來尋找黑洞。 |