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引力和辐射的对抗在CMB上留下了印记,也就是那些很小的起伏。
这些起伏包含了关于宇宙膨胀速率、宇宙的辐射总量、辐射和其他物质相互作用的方式的大量信息。
它同时也告诉我们CMB辐射穿过空间到达地球之前的情况。
简单来说,CMB就是科学家们手里的百宝箱。
对CMB更加细致的观测始于1989年,NASA发射了宇宙背景探测者卫星(icBadExplorer,缩写为COBE)。
这一卫星实验观测了整个天空的背景辐射,并发现背景辐射的性质和理论预测的原初大火球发射的辐射相同。
COBE实验同时也成为最早尝试观测上述“波纹”
的实验。
虽然最后证明COBE的分辨率并不足以从波纹中提取信息,但它使人们看到了希望。
从那时开始,人们又做了一系列热气球实验。
其中包括20世纪90年代晚期升空的B和MAXIMA实验。
这些实验的探测器有足够的分辨率测到那些尺度最大的波纹,这些波纹提供的信息足以证明宇宙膨胀的速率差不多恰好处于永恒膨胀和重新坍缩的临界点上。
然而如果把它和我们观测到的现有的宇宙膨胀率做比较,你会发现一些奇怪的事情:从原初大火球到现在,宇宙似乎经历过相当程度的加速膨胀。
21世纪初期,宇宙微波背景辐射的实验有了新的飞跃。
2001年,NASA向太空发射了威尔金森微波各向异性探测器(WilkinsonMiisotropyProbe,缩写为实验不仅仅可以测到最大尺度,同时也能分辨更细微的波纹。
这一点相当重要,因为人们可以借此观测并研究这些小波纹的演化。
在之后的2009年,欧洲空间局发射了普朗克卫星(PlanckSurveyor)。
普朗克卫星比又更进一步地观测到了更多微小的波纹。
和普朗克卫星的结果证实了那些描述早期宇宙波纹演化的物理理论。
它们发现,由引力导致的坍缩方式和爱因斯坦理论预言的一致,早期宇宙中辐射的总量和原初核合成计算中要求的总量相同。
但它们同时也发现,宇宙中存在大量并不和辐射发生除了引力之外的任何相互作用的物质,
这和普通物质大相径庭。
宇宙微波背景辐射包含的信息量远超我刚刚描述的几种。
其中一些我之后会讲,因为那些信息更像是对将来研究的展望而不是描述已有的发现。
但我们仍然有必要提及,当背景辐射从原初大火球出发穿过宇宙传播到我们这里来,途中它携带上很多物体的引力场信息。
其中之一就是第2章讨论过的引力导致光线弯曲。
当背景辐射经过大质量天体时也会受到这个效应的影响,它的轨迹会被这些天体的引力场折弯。
这使得背景辐射上的波纹产生扭曲,这些扭曲是可以计算的。
普朗克卫星观测到了引力场导致的背景辐射上波纹形状的改变。
另一种关于背景辐射的可观测效应源自宇宙膨胀导致空间中引力场的演化。
引力场的演化使得光子进出引力场时的场强不一样,这改变了光子的能量,使得光从引力场出来时得到更多(或者更少)的能量[2]。
通过对比这一现象的观测数据和理论,我们再次得出结论:宇宙的膨胀正在加速。
宇宙膨胀的历史
宇宙冷却到变得透明后的一段时间,被天文学家们称为黑暗时代(Darkages)。
黑暗时代指的是原初大火球之后,最古老的恒星和星系形成之前的一段时间。
关于宇宙的这段历史,天文学家们所知甚少,因为那时候的物质大部分都是以气体云的形式存在。
几亿年后,初代恒星和星系才开始形成。
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