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“嬰兒時期”全景圖。這張珍貴的圖像由該望遠(yuǎn)鏡合作團隊公布，讓我們得以窺見138億年前宇宙的神秘面貌。

耗時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)公開報道，今年7月，在海拔5250米的西藏阿里地區(qū)，由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭，聯(lián)合中國科學(xué)院國家天文臺、美國斯坦福大學(xué)等國內(nèi)外16家科研機構(gòu)共同研制，歷時8年建成的阿里原初引力波探測實驗一期實現(xiàn)首光觀測。這標(biāo)志著我國在原初引力波探測實驗領(lǐng)域邁出關(guān)鍵一步。若順利探測到原初引力波，人類將有機會解碼宇宙“最初的奧秘”。原初引力波極其微弱，其信號正是隱藏在宇宙微波背景輻射的偏振中。

在無人的荒漠，在險峻的高山，在寂靜的太空……各國宇宙學(xué)家紛紛將探測器對準(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，兒時家中老式電視機調(diào)到無信號頻道時，那沙沙作響的“雪花”？其中，竟有約1%的微弱信號，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——我們所能觀測到、來自宇宙最遠(yuǎn)古時代的光芒。

1964年，美國貝爾實驗室的兩位工程師彭齊亞斯和威爾遜在調(diào)試一臺高靈敏度微波望遠(yuǎn)鏡時，遇到了一個令人費解的現(xiàn)象：天線無論指向何方，總會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。幾乎在同一時期，另外一個地方，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。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。這些帶電粒子會與光子發(fā)生相互作用——當(dāng)光子接觸到它們時，它們的電荷會使光子發(fā)生散射，導(dǎo)致光難以長距離傳播。隨著宇宙持續(xù)膨脹和冷卻，當(dāng)溫度降至某個臨界點（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。由于中性原子不會干擾光子運動，光子得以在宇宙中自由穿行。

這一轉(zhuǎn)變在整個宇宙中同時發(fā)生。光子獲得了在整個宇宙空間暢行無阻的能力。至此，“嬰兒時期”宇宙的第一聲“啼哭”被拉長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)在觀測到的宇宙微波背景輻射。

其實，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已被極大拉長，主要分布在微波波段。其能量相應(yīng)大幅降低，對應(yīng)的輻射溫度僅僅比絕對零度高2.7開爾文，如同一團均勻“冷霧”。然而，這團看似平淡無奇的“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“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、測量這些極其微弱的古老光子信號，對宇宙學(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，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)，探測器可同時或分時觀測同一區(qū)域的不同頻率信號源。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，并在原信號中扣除噪音成分，最終提取出純凈的信號。

以地球本身來說，大氣中的水蒸氣、氧氣會吸收約99%的微波信號。這就導(dǎo)致從地面直接觀測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)鏡甚至被運上太空。

繪制出目前分辨率最高的宇宙“嬰兒時期”全景圖的阿塔卡馬宇宙學(xué)望遠(yuǎn)鏡，并非第一個探測這種輻射的天文設(shè)施。相較于其“前輩”普朗克衛(wèi)星，這款望遠(yuǎn)鏡擁有更高的探測靈敏度，測量的光強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，其中可能蘊藏著關(guān)于極早期宇宙的關(guān)鍵信息。B模式偏振信號強度只有總信號的百萬分之一，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驗團隊就曾宣布他們探測到了B模式偏振。后來，人們發(fā)現(xiàn)，該團隊探測到的信號可能是來自銀河系塵埃輻射造成的偏振。之前的探測結(jié)果，只是一場“空歡喜”。

此外，宇宙微波背景輻射的極低溫特性，使得探測器必須比它更冷才能感知熱量波動。想要更好地探測宇宙微波背景輻射，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，會進入“超流態(tài)”，黏度為零，能無阻力地滲透細(xì)微的縫隙，從而均勻冷卻探測器表面。不過，液氦在蒸發(fā)后難以回收，這大大限制了探測器的壽命。

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，人類對宇宙微波背景輻射的探測技術(shù)實現(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，讓人類意識到宇宙暗物質(zhì)的存在；而它近乎完美的各向同性波動模式，則證明了愛因斯坦廣義相對論對宇宙平坦的整體結(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，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角落。

在制冷領(lǐng)域，探測宇宙微波背景輻射能量波動的嚴(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現(xiàn)接近絕對零度的超低溫；后者則利用磁性材料在強磁場中熵變吸熱，可在無液氦條件下逼近絕對零度。北京大學(xué)科研團隊利用絕熱去磁制冷技術(shù)，打造出兩臺“拓?fù)淞孔佑嬎愠蜏貙嶒瀮x器”，創(chuàng)造了“干式制冷儀器”所能達到的最低溫度記錄：0.1毫開爾文。這一溫度已經(jīng)逼近人類無法抵達的絕對零度。

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。美國梅奧診所利用改進后的噪聲過濾算法與PET-CT相結(jié)合，通過動態(tài)識別呼吸運動影像，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吉赫茲接收機技術(shù)，直接推動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，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。該原型機借鑒宇宙微波背景輻射觀測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分的“時空化石”，還會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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