1964年，美國貝爾實驗室的兩位工程師在天空的各個方向上，無意中發(fā)現(xiàn)了神秘的熱噪信號，他們當(dāng)時認(rèn)為，這不是雜波干擾，就是設(shè)備出現(xiàn)了問題。

但是當(dāng)他們排除了所有的可能之后，甚至把天線喇叭口里面的鳥糞都鏟干凈了，依然消除不了這種充滿全天空的低溫輻射。

這其實就是普林斯頓大學(xué)迪克團隊正在尋找的，宇宙微波背景輻射，是大爆炸火球留下來的余溫。這就像你燒灶火做飯一樣，過上幾個小時以后，灶火里面還會殘留一些溫度。區(qū)別在于，灶火降溫是熱量損失的結(jié)果，而宇宙的降溫是因為空間膨脹導(dǎo)致的。

上圖就是彭齊亞斯和威爾遜測量結(jié)果的模擬圖，綠色部分就是充滿全天空的微波背景輻射，溫度只有3.5K，這個發(fā)現(xiàn)就證實了大爆炸理論的正確性。

但是人們還有一個疑惑，彭齊亞斯他們測量的結(jié)果顯示，早期宇宙的溫度和密度是完美均勻的，也就是在他們的測量結(jié)果中看不見有溫度的波動。

雖然我們經(jīng)常說，宇宙在大尺度上處處均勻，各向同性，這是我們熟知的宇宙原理，但是我們知道，宇宙不可能做到完美的均勻。

因為，如果宇宙中的物質(zhì)是完美均勻的的話，那么物質(zhì)就不可能隨著時間的推移，在引力的作用下聚集成塊，進而形成恒星、星系、星系團這些大尺度結(jié)構(gòu)，當(dāng)然也不可能誕生人類。

所以我們的宇宙需要在某種程度上具備一些不均勻的性質(zhì)，這就是所謂的密度波動，當(dāng)然物質(zhì)分布的密度波動，表現(xiàn)在微波背景上，就是溫度波動了。

因此，人們相信微波背景中的溫度波動肯定有，只不過是彭齊亞斯他們的設(shè)備不行，測不出來，所以在1989年的時候就發(fā)射COBE衛(wèi)星，其中攜帶的儀器：差分微波輻射計，就是用來測量微波背景的溫度波動的。

上圖就是1992年COBE衛(wèi)星返回來的結(jié)果，其中的藍色部分是溫度偏低的區(qū)域，代表了這些地方的物質(zhì)密度較高，綠色部分是微波背景的平均溫度，代表了物質(zhì)分布的平均密度，紅色部分是溫度偏高的區(qū)域，就代表了這些地方物質(zhì)的密度較低。后面我會解釋高溫和低溫區(qū)域是如何形成的？以及跟物質(zhì)密度有啥關(guān)系？這里就先大概地記一下就行了。

需要注意的是，在圖中有一大塊的紅色區(qū)域，這其實是我們銀河系的盤面，所以它不代表任何東西。

根據(jù)COBE衛(wèi)星的測量，我們發(fā)現(xiàn)高溫區(qū)域和低溫區(qū)域的溫度波動只有平均溫度的0.003%，正是這個微小的差異，才有了我們今天看到的宇宙結(jié)構(gòu)。當(dāng)然我們每一個人都來自這0.003%的微小波動。

那如何理解這0.003%的波動？它到底有多大？我舉個例子，現(xiàn)在想象一個海面，在海面上有一些微小的波紋，波峰高幾厘米，波谷低幾厘米，但是整個海水的深度有1千米，現(xiàn)在我們把波峰和波谷一平均，就是整個海水的平均深度了，這個平均深度就是微波背景中的平均溫度。

那波峰高的那一點點，就是微波背景中的熱點了，波谷低的那一點點就是微波背景中的冷點了。也就是說，在很小尺度上，海面確實有波動，但是當(dāng)你把整個海水的深度都考慮進去的話，我就可以認(rèn)為整個海水的深度都是一樣的。

這就是微波背景輻射中溫度波動的幅度，非常的小，這也是為什么我們說宇宙處處均勻，但又必須存在微小的密度波動。

好，下面我們說，微波背景中的冷點和熱點是如何形成的？也就是它和物質(zhì)的密度有啥關(guān)系？

影響微波背景光子溫度的效應(yīng)有兩種薩克斯–沃爾夫效應(yīng)和積分薩克斯–沃爾夫效應(yīng)。第一種效應(yīng)發(fā)生在最后的散射面上，也就是中性原子形成的時候，是微波背景輻射溫度波動的主要來源，也是基礎(chǔ)來源。

第二種效應(yīng)發(fā)生在，從最后的散射面到地球傳播的這段時間內(nèi)，是微波背景輻射中大尺度熱點和冷點形成的原因。

先說第一種，宇宙最初的密度波動來自于空間能量的量子漲落，隨著宇宙空間的暴脹，這些量子漲落就被拉伸到了整個宇宙空間，隨后宇宙暴脹結(jié)束，大爆炸開始，這個時間大約是10∧–36秒，空間能量就衰變產(chǎn)生了物質(zhì)，這時宇宙中的物質(zhì)就已經(jīng)因為量子漲落有了微小的密度波動。

也就是密度不均勻，有些地方的密度高，有些地方的密度低，就跟我剛才說的海平面一樣，有些地方高幾厘米，有些地方低幾厘米。

這種情況一直就持續(xù)到了宇宙誕生后的38萬年，也就是中性原子形成的時候，但在這之前，宇宙又發(fā)生了一件事，改變了物質(zhì)的密度分布。

這就是我們上節(jié)課提到過的重子聲波振蕩BAO，我們知道在中性原子形成之前，宇宙中充滿了重子物質(zhì)，也就是質(zhì)子，以及由質(zhì)子和中子組成的氦核，還有輕子物質(zhì)，也就是電子，當(dāng)然還有大量的光子，以及暗物質(zhì)。

在前面的視頻中，我多次有提到，在這38萬年間，光子除了在拆散原子核與電子的結(jié)合以外，還在不斷地與帶電粒子發(fā)生彈性散射。

除了這些之外，在38萬年間還發(fā)生了一件特別壯觀的事情，也就是我們現(xiàn)在要說的重子聲波振蕩。

前面我們說了，宇宙中的物質(zhì)從一開始就具有不均勻的密度漲落，所以他們會在引力的作用下自發(fā)的成團，也就是密度更高的區(qū)域會吸引越來越多的物質(zhì)。

首先成團的肯定是暗物質(zhì)，因為它們比普通物質(zhì)的數(shù)量多了6倍，因此在暗物質(zhì)幫助下，等離子體也會朝著暗物質(zhì)聚集的地方自發(fā)成團。

但是當(dāng)?shù)入x子體塌縮的時候，他們會受到光子的排斥力，等離子體塌縮的越快，排斥力越大，就像是一個被壓緊的彈簧一樣。

然后在一瞬間，光子會將所有的重子物質(zhì)向周圍彈開，等這些重子物質(zhì)飛出去以后，他們又會受到引力的作用，然后又向暗物質(zhì)中心坍縮，又被光子彈開，又塌縮又彈開，就這樣重復(fù)了幾十萬年的時間。

這種現(xiàn)象就像是聲音在介質(zhì)中傳播一樣，也是物質(zhì)疏部和密部來回振蕩，所以我們將這種現(xiàn)象稱為重子聲波振蕩。

當(dāng)38萬年以后，等離子體轉(zhuǎn)變成了中性原子，光子不再與中性原子發(fā)生相互作用了，所以從此以后重子聲波振蕩就停止了，就保留下了最后的形態(tài)。

這就像是，你在湖面上扔一塊石頭，產(chǎn)生了波紋，然后整個湖面被瞬間凍結(jié)了，這個波紋也就被保留了下來。

那么經(jīng)過重子聲波振蕩以后，宇宙中重子物質(zhì)的分布就發(fā)生了改變，會留下很多以暗物質(zhì)為中心的殼層結(jié)構(gòu)，在殼層的外圍普通物質(zhì)的密度比較高，在殼層的中心暗物質(zhì)的密度比較高。

因此在未來形成星系的時候，星系在大尺度的分布上應(yīng)該會呈現(xiàn)出如圖中的規(guī)律，星系會多集中在一個殼層當(dāng)中，而且每個殼層的半徑都是一樣的，這個現(xiàn)象已經(jīng)在斯隆數(shù)字巡天項目中得到了觀測的證實，并且測量出這個殼層的半徑為4.9光年。

當(dāng)然這是經(jīng)過了宇宙膨脹以后才變成了4.9光年，當(dāng)年在最后的散射面上，也就是重子聲波振蕩剛被凍結(jié)的時候，這個距離大約為39萬光年。

那么這對微波背景的溫度波動有啥影響？一句話，物質(zhì)密度的分布，影響著微波背景溫度的波動模式。

我知道，當(dāng)中性原子形成以后，光子就開始沿著直線傳播了，但是光子想要自由地傳播，就需要從物質(zhì)的引力勢阱中逃出來。而引力勢阱又受到了物質(zhì)分布的影響。

所以物質(zhì)的分布對微波背景光子的影響有以下三種情況：

當(dāng)光子從低密度區(qū)域跑出來的時候，它受到的引力紅移較小，所以它保留的能量就多，這就對應(yīng)了微波背景中的熱點，所有紅色代表了低密度區(qū)域。

當(dāng)光子從平均密度區(qū)域跑出來的時候，它受到的引力紅移不大不小，那當(dāng)然保留的能量也就不小不小了，這就對應(yīng)了微波背景中的綠色區(qū)域，所以綠色區(qū)域代表了平均密度區(qū)域。

當(dāng)光子從高密度區(qū)域跑出來的時候，它受到的引力紅移就大，損失的能量就多，這就對應(yīng)了微波背景中的冷點，所以藍色代表了高密度區(qū)域。

這就是微波背景輻射冷點和熱點最主要的來源，當(dāng)然我們也在微波背景中發(fā)現(xiàn)了重子聲波振蕩的痕跡。這跟我們的巡天項目獲得的結(jié)果吻合得很好。

那么當(dāng)光子逃出最后的散射面以后，它從散射面到被我們接收，這段時間在空間中傳播的時候，還會受到星系團，以及宇宙空洞的影響。

這就是我們要說的第二種效應(yīng)了，積分薩克斯–沃爾夫效應(yīng)！其實也是引力紅移的影響，不過按理來說，光子進入了星系團的引力勢阱獲得了能量，它現(xiàn)在要逃出星系團的引力勢阱，就要損失同樣的能量，光子并不會受到影響。

但是，我們的宇宙在加速膨脹，這會帶來一些微妙的變化，我們知道星系團的尺度一般很大，光子想要穿過它也需要花點時間，但是在穿過星系團的時候，因為宇宙的膨脹會被星系團的引力勢阱拉得更平坦一些，所以當(dāng)光子逃出來的時候它就會保留一些能量，這樣就會造成微波背景中光子的溫度發(fā)生變化。

同樣的，當(dāng)光子想從充滿星系的地方，進入宇宙空洞的時候，就會損失能量，當(dāng)他從宇宙空洞進入有物質(zhì)的地方的時候，又會因為宇宙的加速膨脹，導(dǎo)致它補不齊之前損失的能量了，所以光子從宇宙空洞中就會額外的損失能量。

以上的這兩種效應(yīng)會在光子傳播的路徑上不斷的累積，所以叫積分薩克斯–沃爾夫效應(yīng)。這兩種效應(yīng)可以解釋大尺度上宇宙微波背景異常的冷點和熱點。

只要我們把宇宙微波背景和巡天項目獲得的星系地圖結(jié)合在一起看的話，就能夠知道從散射面之后到今天物質(zhì)結(jié)構(gòu)的演化過程。

最后還有一種效應(yīng)可以改變微波背景光子的能量，逆康普頓散射。先說什么是康普頓散射，說的是一個高能光子，進入物質(zhì)的時候，會與物質(zhì)中原子的電子發(fā)生散射，波長變長的現(xiàn)象。

那逆康普頓散射就是一個高能電子與能量較低的光子發(fā)生碰撞以后，光子波長變短的現(xiàn)象。當(dāng)微波背景的光子在星系團中傳播的時候，星系團中有很多電離的氣體，所以這些光子就會與其中電子發(fā)生碰撞，導(dǎo)致波長變短，也就是能量增加了。這種效應(yīng)還會導(dǎo)致微波背景輻射，偏離完美的黑體譜。

好了，以上就是微波背景輻射中冷點和熱點的主要來源，以及影響因素。通過研究微波背景輻射，我們就可以知道宇宙最初物質(zhì)的分布情況，以及到今天的演化過程，我們也能夠在微波背景中看到關(guān)于暗能量，以及暗物質(zhì)的一些信息，比如上面提到的重子聲波振蕩。

好了，今天的內(nèi)容就到這里。