光子 引力波 什么为我们揭开大爆炸之谜？

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天文学家结合数学模型与观测活动来得出可行的理论以描述宇宙是如何形成的。大爆炸理论的数学基础包括阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论以及基本粒子的标准理论。今天，哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜等NASA航天器正继续观测宇宙的扩张。 而一个长期存在的目标是确定宇宙是否会永远扩张，或者它是否会在某一天停止，转而在“大崩溃”中瓦解？

背景辐射

根据物理学理论，如果在宇宙大爆炸后一秒钟观察宇宙，我们将看到一个100亿度、有中子，质子，电子，反电子（正电子），光子和中微子的海洋。然后，随着时间的推移，我们会看到宇宙变冷，中子要么衰变成质子和电子，要么与质子结合形成氘（氢的同位素）。随着继续冷却，它最终将达到电子与核结合形成中性原子的温度。这种“重组”发生之前，宇宙将是不透明的，因为自由电子会导致光（光子）以云中水滴散射太阳光的方式散射。但当自由电子被吸收形成中性原子后，宇宙会突然变得透明。那些相同的光子——即被称为宇宙背景辐射的宇宙大爆炸的余晖——在今天可被观测到。

研究宇宙背景辐射的任务

NASA开展了两项研究宇宙背景辐射的任务，拍摄宇宙诞生后仅40万年的“婴儿照片”。 第一个是宇宙背景探测器（Cosmic Background Explorer, COBE）。1992年，COBE团队宣布他们已经绘制了宇宙背景辐射中的原始热点和冷点。这些点都与早期宇宙中的引力场有关，并形成了展开达数亿光年横越宇宙的巨大星系团的种子。 这项工作为NASA的约翰·马瑟博士和加州大学的乔治·斯穆特赢得了2006年诺贝尔物理学奖。

测量宇宙背景辐射的第二项任务由威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）开展。与COBE相比，它大大提高了分辨率，WMAP探测了整个天空，测量了几乎均匀分布在宇宙中的微波辐射的温差。图中展示了天空图，红色为热区，蓝色为较冷区域。通过将这些证据与宇宙的理论模型相结合，科学家们得出结论，宇宙是“平坦的”，这意味着，在宇宙学尺度上，空间的几何形状满足欧几里德几何的规则（例如，平行线永远不会相交，圆周和直径的比例是pi，等）。

图解：宇宙的“婴儿照片”。 WMAP的微波背景辐射温度图显示了3K背景（宇宙辐射背景的别称）中（仅几微微度）的微小变化。 热点显示为红色，冷点为深蓝色。

第三个任务是普朗克，由欧洲空间局主导，并由NASA参与，自2009年开始实施。普朗克正在制作最准确的微波背景辐射图。借助对百万分之几度的温度变化敏感的仪器，以及对超过9个波段的完整天空的绘制，它以基本天体物理限制设定的精度测量了宇宙辐射背景的温度波动。

暴胀

原始COBE结果产生了一个问题，持有更高分辨率的WMAP数据也有同样的问题，即，宇宙太均匀了。从未相互接触过的宇宙各部分怎么能在相同的温度上达到平衡？然而，如果在大爆炸后段非常短的一段时间内，宇宙经历了一场名为“暴胀”的令人难以置信的扩张，那么这和其他宇宙学问题都可以得到解决。为了实现这种暴胀，大爆炸时的宇宙必然充满了一种不稳定的能量形式，其性质尚不清楚。无论其性质如何，暴胀模型预测，由于宇宙非常小时出现的一种量子噪声，这种原始能量将在空间中不均匀分布。这种模式将转移到宇宙中的物上，并将出现在重新组合时开始自由流动的光子中。因此，我们可以期望在宇宙的COBE和WMAP图片中看到这种模式，我们也确实这样看到了。

但是，这又留下了一个悬而未决的问题，即什么带来了暴胀。回答该问题的一个难点是，在重组之前暴胀已经过了很长时间，因此在重组之前宇宙的不透明度实际上是那些有趣的早期事件上的一块幕布。幸运的是，有一种观察宇宙的方法根本不涉及光子。作为唯一已知的可以从大爆炸瞬间保真到达我们的信息形式，引力波能够携带我们无法通过其他方式获得的信息。NASA和欧空局正在考虑开展几项任务，以寻找暴胀时代的引力波。

暗能量

在哈勃和COBE之后的几年里，大爆炸的图景逐渐变得清晰起来。但在1996年，对非常遥远的超新星的观测使得这一图景发生了戏剧性的变化。人们一直认为，宇宙物质会减缓其扩张速度。质量产生重力，重力产生拉力，拉力必须使膨胀减缓。但是对超新星的观测表明，宇宙的扩张正在加速，而不是放慢。有某种东西，既不像物质，也不像普通的能量，正在推动星系分开。这种“东西”被称为暗能量，但给它设定一个名称并不意味着理解了它。暗能量是否是一种物理学迄今未知的动力流体，或者它是否是空间真空的属性，亦或它是否是对广义相对论的某种改变还不得而知。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. 挖矿的呆鹅-NASA

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