宇宙微波背景輻射——

探秘宇宙起源的“密碼”

■姚昌松  宋可旸  黎光炫

經(jīng)過15年的不懈守望，矗立于智利阿塔卡馬沙漠的阿塔卡馬宇宙學(xué)望遠(yuǎn)鏡，于今年初展示了其里程碑式的觀測(cè)結(jié)果——依托2007至2022年間采集的海量數(shù)據(jù)，科學(xué)家們成功繪制出目前分辨率最高的宇宙“嬰兒時(shí)期”全景圖。這張珍貴的圖像由該望遠(yuǎn)鏡合作團(tuán)隊(duì)公布，讓我們得以窺見138億年前宇宙的神秘面貌。

耗時(shí)15年精心“沖印”的這張“宇宙初啼圖”，其本質(zhì)正是宇宙微波背景輻射的可視化呈現(xiàn)。

據(jù)公開報(bào)道，今年7月，在海拔5250米的西藏阿里地區(qū)，由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、美國(guó)斯坦福大學(xué)等國(guó)內(nèi)外16家科研機(jī)構(gòu)共同研制，歷時(shí)8年建成的阿里原初引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)一期實(shí)現(xiàn)首光觀測(cè)。這標(biāo)志著我國(guó)在原初引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域邁出關(guān)鍵一步。若順利探測(cè)到原初引力波，人類將有機(jī)會(huì)解碼宇宙“最初的奧秘”。原初引力波極其微弱，其信號(hào)正是隱藏在宇宙微波背景輻射的偏振中。

在無人的荒漠，在險(xiǎn)峻的高山，在寂靜的太空……各國(guó)宇宙學(xué)家紛紛將探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)了神秘的宇宙微波背景輻射。

那么，宇宙微波背景輻射究竟是什么？它具有什么樣的科學(xué)意義？又將怎樣影響我們的生活？讓我們一同來探索答案。

普朗克衛(wèi)星拍攝的宇宙微波背景輻射圖像。資料圖片

雪花噪音中的宇宙“奧秘”

你是否還記得，兒時(shí)家中老式電視機(jī)調(diào)到無信號(hào)頻道時(shí)，那沙沙作響的“雪花”？其中，竟有約1%的微弱信號(hào)，來自138億年前宇宙誕生之初的“余溫”。這縷“余溫”，便是宇宙微波背景輻射——我們所能觀測(cè)到、來自宇宙最遠(yuǎn)古時(shí)代的光芒。

1964年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位工程師彭齊亞斯和威爾遜在調(diào)試一臺(tái)高靈敏度微波望遠(yuǎn)鏡時(shí)，遇到了一個(gè)令人費(fèi)解的現(xiàn)象：天線無論指向何方，總會(huì)接收到一種微弱而持久的背景噪聲。他們絞盡腦汁，甚至一度懷疑是天線上的鳥糞作祟，不惜爬上天線進(jìn)行清理并重新組裝。然而，在排除了所有已知干擾源后，神秘的噪聲依舊如影隨形。幾乎在同一時(shí)期，另外一個(gè)地方，一群天文學(xué)家正依據(jù)宇宙大爆炸理論，苦苦搜尋著理論預(yù)言中本應(yīng)遍布宇宙的背景輻射，卻始終未果。

兩位工程師的難題很快被天文學(xué)家知曉。經(jīng)過兩方的探討，他們豁然開朗——那惱人的噪聲，正是宇宙誕生時(shí)的第一縷“曙光”！因這一重大發(fā)現(xiàn)，彭齊亞斯和威爾遜榮獲1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。自此，宇宙微波背景輻射正式步入現(xiàn)代物理學(xué)與天文學(xué)的研究殿堂。

那么，宇宙大爆炸時(shí)到底發(fā)生了什么，宇宙微波背景輻射又是如何產(chǎn)生的？

在宇宙大爆炸初期，宇宙處于高溫和高密度的狀態(tài)，到處都是帶電的電子和質(zhì)子。這些帶電粒子會(huì)與光子發(fā)生相互作用——當(dāng)光子接觸到它們時(shí)，它們的電荷會(huì)使光子發(fā)生散射，導(dǎo)致光難以長(zhǎng)距離傳播。隨著宇宙持續(xù)膨脹和冷卻，當(dāng)溫度降至某個(gè)臨界點(diǎn)（約3000開爾文），電子與質(zhì)子開始結(jié)合，形成電中性的氫原子。由于中性原子不會(huì)干擾光子運(yùn)動(dòng)，光子得以在宇宙中自由穿行。

這一轉(zhuǎn)變?cè)谡麄€(gè)宇宙中同時(shí)發(fā)生。光子獲得了在整個(gè)宇宙空間暢行無阻的能力。至此，“嬰兒時(shí)期”宇宙的第一聲“啼哭”被拉長(zhǎng)為光波頻段的永恒回聲。這些古老的光子攜帶著起源的秘密在宇宙中穿行，形成了我們現(xiàn)在觀測(cè)到的宇宙微波背景輻射。

其實(shí)，宇宙微波背景輻射就是一種充斥于全宇宙的微弱電磁波。歷經(jīng)138億年的宇宙膨脹，構(gòu)成該輻射的光子波長(zhǎng)已被極大拉長(zhǎng)，主要分布在微波波段。其能量相應(yīng)大幅降低，對(duì)應(yīng)的輻射溫度僅僅比絕對(duì)零度高2.7開爾文，如同一團(tuán)均勻“冷霧”。然而，這團(tuán)看似平淡無奇的“冷霧”，卻是我們解讀宇宙起源的“密碼”。若沒有宇宙微波背景輻射，宇宙大爆炸或許就如同一場(chǎng)未留下灰燼的烈焰，科學(xué)家們可能永遠(yuǎn)無法確切知曉我們身處的宇宙是如何誕生的。

探測(cè)“創(chuàng)世余暉”的漫漫征程

宇宙微波背景輻射自誕生之初就無處不在。如何從電磁波的汪洋大海中精確地分辨、測(cè)量這些極其微弱的古老光子信號(hào)，對(duì)宇宙學(xué)家們來說是一種挑戰(zhàn)。

為了捕捉到精確的宇宙微波背景輻射信號(hào)，宇宙學(xué)家們首先想到使用射電望遠(yuǎn)鏡。通過射電望遠(yuǎn)鏡的多頻段掃描技術(shù)，探測(cè)器可同時(shí)或分時(shí)觀測(cè)同一區(qū)域的不同頻率信號(hào)源。他們根據(jù)已知的物理規(guī)律推算出不同噪聲源的頻譜模型后，利用算法匹配各頻段的數(shù)據(jù)與模型，并在原信號(hào)中扣除噪音成分，最終提取出純凈的信號(hào)。

以地球本身來說，大氣中的水蒸氣、氧氣會(huì)吸收約99%的微波信號(hào)。這就導(dǎo)致從地面直接觀測(cè)宇宙微波背景輻射得到的“圖像”只見其影，不見其形。為了避免大氣的干擾，人們將射電望遠(yuǎn)鏡建立在極地或沙漠等干燥高海拔地區(qū)，部分射電望遠(yuǎn)鏡甚至被運(yùn)上太空。

繪制出目前分辨率最高的宇宙“嬰兒時(shí)期”全景圖的阿塔卡馬宇宙學(xué)望遠(yuǎn)鏡，并非第一個(gè)探測(cè)這種輻射的天文設(shè)施。相較于其“前輩”普朗克衛(wèi)星，這款望遠(yuǎn)鏡擁有更高的探測(cè)靈敏度，測(cè)量的光強(qiáng)與偏振分辨率更是提升了5倍之多。這一系列關(guān)鍵性能的躍升，使其能夠清晰捕捉到宇宙中氣體密度與速度的細(xì)微起伏，生動(dòng)揭示出那片原始?xì)浜ずＱ笾袧摬氐慕Y(jié)構(gòu)雛形。

學(xué)者們希望在宇宙微波背景輻射中尋找一種被稱為B模式的偏振模式。這種偏振模式像漩渦一樣，由引力透鏡、引力波或者宇宙塵埃引起，其中可能蘊(yùn)藏著關(guān)于極早期宇宙的關(guān)鍵信息。B模式偏振信號(hào)強(qiáng)度只有總信號(hào)的百萬分之一，要想捕捉到這一模式下的偏振信息無異于大海撈針，極易造成專家的誤判。2014年，宇宙泛星系偏振背景成像實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)就曾宣布他們探測(cè)到了B模式偏振。后來，人們發(fā)現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)探測(cè)到的信號(hào)可能是來自銀河系塵埃輻射造成的偏振。之前的探測(cè)結(jié)果，只是一場(chǎng)“空歡喜”。

此外，宇宙微波背景輻射的極低溫特性，使得探測(cè)器必須比它更冷才能感知熱量波動(dòng)。想要更好地探測(cè)宇宙微波背景輻射，制冷技術(shù)是關(guān)鍵。

液氦制冷是目前較為成熟的制冷技術(shù)之一，使用液氦包裹探測(cè)器即可利用液氦的相變吸熱來帶走熱量。值得一提的是，當(dāng)液氦溫度降至2.17開爾文以下時(shí)，會(huì)進(jìn)入“超流態(tài)”，黏度為零，能無阻力地滲透細(xì)微的縫隙，從而均勻冷卻探測(cè)器表面。不過，液氦在蒸發(fā)后難以回收，這大大限制了探測(cè)器的壽命。

隨著普朗克衛(wèi)星繪制出首張精細(xì)宇宙微波背景輻射圖像，人類對(duì)宇宙微波背景輻射的探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。這一飛躍并非單一學(xué)科的成就，而是凝聚了射電天文學(xué)、低溫物理學(xué)、材料科學(xué)、精密工程等多領(lǐng)域智慧的結(jié)晶。

科學(xué)探索照亮浩瀚星空

宇宙微波背景輻射的精細(xì)結(jié)構(gòu)，讓人類成功精確計(jì)算出了宇宙的年齡；其不均勻性中隱藏的引力異象，讓人類意識(shí)到宇宙暗物質(zhì)的存在；而它近乎完美的各向同性波動(dòng)模式，則證明了愛因斯坦廣義相對(duì)論對(duì)宇宙平坦的整體結(jié)構(gòu)的預(yù)言……宇宙微波背景輻射助力科學(xué)家們向宇宙深處遠(yuǎn)航的同時(shí)，其研究催生的技術(shù)突破與革新早已突破學(xué)科的邊界，滲透至前沿科技的各個(gè)角落。

在制冷領(lǐng)域，探測(cè)宇宙微波背景輻射能量波動(dòng)的嚴(yán)苛需求，催生了毫開爾文制冷技術(shù)和絕熱去磁制冷技術(shù)：前者通過稀釋氦的同位素實(shí)現(xiàn)接近絕對(duì)零度的超低溫；后者則利用磁性材料在強(qiáng)磁場(chǎng)中熵變吸熱，可在無液氦條件下逼近絕對(duì)零度。北京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)利用絕熱去磁制冷技術(shù)，打造出兩臺(tái)“拓?fù)淞孔佑?jì)算超低溫實(shí)驗(yàn)儀器”，創(chuàng)造了“干式制冷儀器”所能達(dá)到的最低溫度記錄：0.1毫開爾文。這一溫度已經(jīng)逼近人類無法抵達(dá)的絕對(duì)零度。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，宇宙微波背景輻射偏振分析技術(shù)“從噪聲中提取納米級(jí)信息”的能力，催生了噪聲抑制算法，并已應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像降噪。美國(guó)梅奧診所利用改進(jìn)后的噪聲過濾算法與PET-CT相結(jié)合，通過動(dòng)態(tài)識(shí)別呼吸運(yùn)動(dòng)影像，將2毫米以下肺結(jié)節(jié)檢出率提高至89%，有望提高肺癌早期篩查效率。

在通信領(lǐng)域，射電望遠(yuǎn)鏡的90至150吉赫茲接收機(jī)技術(shù)，直接推動(dòng)了太赫茲頻段的開發(fā)。日本DOCOMO、NTT、NEC、富士通四大電信企業(yè)聯(lián)合研發(fā)的6G原型機(jī)，便采用了宇宙微波背景輻射微波波段的壓縮感知技術(shù)，在300吉赫茲頻段實(shí)現(xiàn)100Gbps傳輸速率，比現(xiàn)有5G標(biāo)準(zhǔn)速率提升了近50倍。該原型機(jī)借鑒宇宙微波背景輻射觀測(cè)中從有限頻段還原全頻信息的方法，能以約1/5的帶寬承載完整數(shù)據(jù)流，有望大幅降低未來6G基站的能耗。

正如一位諾貝爾獎(jiǎng)得主所言：“我們?yōu)楦Q探宇宙起源研發(fā)的技術(shù)，最終照亮了人類文明的每一個(gè)角落?！睆某蜏刂评浼夹g(shù)到精準(zhǔn)醫(yī)療影像，從超導(dǎo)材料到下一代信息通信，宇宙微波背景輻射研究的影響已遠(yuǎn)超天文學(xué)范疇。

人類對(duì)浩瀚星空的探索從未停歇，每一次認(rèn)知的突破、技術(shù)的飛躍，都在為人類文明的未來鋪設(shè)道路?；蛟S在不遠(yuǎn)的將來，宇宙微波背景輻射這枚來自宇宙拂曉時(shí)分的“時(shí)空化石”，還會(huì)帶給我們更多意想不到的驚喜——正如人類科技史一再上演的那樣，對(duì)未知世界的好奇與渴望，終將凝聚成改變世界、塑造未來的磅礴力量。

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