宇宙微波背景輻射cosmic microwave background (CMB) radiation

宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background，簡稱CMB）是宇宙學中「大霹靂」遺留下來的熱輻射。是一種充滿整個宇宙的電磁輻射。特徵和絕對溫標2.725K的黑體輻射相同。宇宙微波背景是宇宙背景輻射之一，為觀測宇宙學的基礎，因其為宇宙中最古老的光。(WIKI)

宇宙微波背景 (CMB) 被認為是大爆炸或宇宙開始時的剩餘輻射。正如理論所說，當宇宙誕生時，它經歷了快速的膨脹和膨脹。CMB 代表了大爆炸遺留下來的熱量。在距地球 138 億光年的各個方向都可以看到 CMB，這促使科學家們確定這是宇宙的真實年齡。然而，它並不能表明宇宙的真實範圍。鑑於自早期宇宙以來空間一直處於膨脹狀態（並且膨脹速度超過光速），CMB 只是我們能夠看到的最遠的時間。

肉眼看不到CMB，但它在宇宙中無處不在。它對人類不可見，因為它太冷了，僅比絕對零度高 2.725 度（負 459.67 華氏度，或負 273.15 攝氏度）。這意味著它的輻射在電磁波譜的微波部分最明顯。

CMB最初是偶然發現的。 1965 年，Bell 電話實驗室的研究人員彭齊亞斯和威爾遜（Arno Penzias 和 Robert Wilson）正在製造無線電接收器，但對接收到的噪音感到困惑。後來他們發現那干擾訊號是從四面八方均勻地傳來的。Arno Penzias 和 Robert Wilson 發現了CMB 的第一個證據。然而，在進行第一次測量時，他們注意到超過 4.2K 的天線溫度，這是他們無法解釋的，只能由背景輻射的存在來解釋。由於他們的發現，彭齊亞斯和威爾遜於 1978 年獲得了諾貝爾物理學獎。
同時，普林斯頓大學的一個團隊（由Robert Dicke領導）正試圖尋找 CMB。迪克的團隊聽說了Bell 實驗的風聲，並意識到已經發現了 CMB。
兩個團隊都在 1965 年的《天體物理學雜誌》上迅速發表了論文，Penzias 和 Wilson談論了他們所看到的， Dicke的團隊則解釋了這在宇宙背景下的意義。

當宇宙在 138 億年前誕生時，所有物質都凝聚在一個具有無限密度和極熱的點上。由於物質的極端熱量和密度，宇宙的狀態非常不穩定。突然，這一點開始膨脹，我們所知道的宇宙開始了。此時，空間充滿了均勻發光的白熱等離子體粒子——由質子、中子、電子和光子（光）組成。在大爆炸後的 38 萬至 1.5 億年之間，光子不斷與自由電子相互作用，無法長距離傳播。因此，為什麼這個時代被通俗地稱為「黑暗時代」。

隨著宇宙繼續膨脹，宇宙冷卻到電子能夠與質子結合形成氫原子的程度（又名重組期）。在沒有自由電子的情況下，光子能夠在宇宙中不受阻礙地移動，它開始像今天一樣出現，即透明並能被光滲透。在其間的數十億年間，宇宙繼續膨脹和冷卻。

由於空間膨脹，光子的波長增加（造成「紅移」）到大約 1 毫米，它們的有效溫度下降到剛好高於絕對零 – 2.7 開爾文（-270 °C；-454 °F）。這些光子今天充滿了宇宙，並以背景光的形式出現，可以在遠紅外和無線電波長中檢測到。

宇宙大爆炸時間線。宇宙中微子在發射時影響 CMB，直到今天，物理學才負責它們的其餘演化。圖片來源：NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (GSFC)

他們進一步推論，這個極熱時期的剩餘輻射會滲透到宇宙中，並且可以被探測到。由於宇宙的膨脹，他們估計這種背景輻射將具有 5 K（-268 °C；-450 °F）的低溫——僅比絕對零值高 5 度——這對應於微波波長。

最初，CMB 的探測是不同宇宙學理論支持者之間爭論的根源。大爆炸理論的支持者聲稱這是大爆炸留下的“遺跡輻射”，穩態理論的支持者則認為這是來自遙遠星系的散射星光的結果。然而，到 1970 年代，出現了支持大爆炸解釋的科學共識。

在 1980 年代，地面儀器對 CMB 的溫差施加了越來越嚴格的限制。其中包括在Prognoz 9 衛星上執行的蘇聯RELIKT-1任務（於 1983 年 7 月發射）和美國宇航局宇宙背景探索者(COBE) 任務（其研究結果於 1992 年發表）。由於他們的工作，COBE 團隊約翰馬瑟和加州大學伯克萊分校的喬治斯穆特獲得了 2006 年的諾貝爾物理學獎。第一張天基全天空圖來自美國NASA的宇宙背景探索器 (COBE) 任務(該任務於 1989 年發射，並於 1993 年停止科學運作)。這張宇宙「嬰兒照片」，正如美國宇航局所稱的那樣，證實了大爆炸理論的預測，並顯示了以前從未見過的宇宙結構的暗示。

COBE 還探測到了 CMB 的第一個聲波峰值，即等離子體中的聲波振盪，這對應於由引力不穩定性造成的早期宇宙中的大規模密度變化。在接下來的十年中進行了許多實驗，其中包括基於地面和氣球的實驗，其目的是提供對第一個聲學峰值的更準確測量。

第二個聲波峰被多次實驗暫時探測到，但直到2001 年部署威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)後才被最終探測到。2001 年至 2010 年任務結束時，WMAP 還探測到第三個峰值。自 2010 年以來，多個任務一直在監測 CMB，以提供對極化和密度小尺度變化的改進測量。

威爾金森微波各向異性探測器 (WMAP) 於 2003 年提供了一張更詳細的地圖，該探測器於 2001 年 6 月發射並於 2010 年停止收集科學數據。第一張圖片將宇宙的年齡標為 137 億年（此後的測量值精確到 138 億年），並且還透露了一個驚喜：最古老的恆星在大爆炸後大約 2 億年開始發光，遠早於預測。2013年，歐洲航天局普朗克太空望遠鏡的數據出爐，展示了迄今為止最高精度的CMB圖片。