几乎一样的天空里,终于找到了差别
1992 年 4 月,George Smoot 与 COBE 团队公布:宇宙微波背景里有很小的温度差。共同背景约为 2.7 开尔文,一些宽阔区域只暖或冷几十微开尔文,也就是一开尔文的百万分之几十。这些起伏把早期近乎均匀的宇宙,与今天布满星系的宇宙接在一起。2006 年诺奖后来将它与 COBE 黑体谱测量共同表彰。
仪器同时比较两片天空
COBE 的差分微波辐射计 DMR,每次比较两副喇叭天线接收到的辐射。两副天线朝向相隔六十度,卫星不断自转,又沿轨道运行,这对视线便反复扫过许多天空组合。把互相交叠的大量差值放在一起,研究者才能拼出全天温差图。
这种设计直接盯住要测的小差别。接收机只须问两片天空哪边稍亮,便能逐渐得到相对温度。DMR 采用 31.5、53 和 90 吉赫兹三个频率,每个频率各有两套近乎独立的接收通道。比较通道与频率,能帮助判断斑块是否随仪器改变,或具有某种前景辐射的频谱特征。
我们的运动先画出了一幅更大的图案
最初的天空图包含许多效应。太阳系相对微波背景运动,朝前看,辐射略暖;向后看,辐射略冷。这幅一边热、一边冷的大图案叫偶极,温差有几毫开尔文,比研究者寻找的细小起伏大得多。
银河系又加上一道前景,沿银河平面尤其明显。团队比较不同频率,并在关键分析中避开污染严重的天区。扣除运动偶极和银河辐射后,细小斑块才显出来。常见图片把色差放大了许多,红蓝代表极小温差。整幅图画成椭圆,是把球形天空摊到纸上的投影。
两套接收机要在同一方向看见相近结构
仪器噪声也能把图画得斑斑点点。若独立接收机都在相近方向看见同样起伏,天空解释就更可信。把两个通道相加,共同的天空信号留下;把它们相减,共同部分抵消,仪器噪声与通道差异便更明显。再比较不同观测时段,能继续检查图案是否稳定。
第一年论文给出的一个结果是:去掉偶极,选择较高银纬,再平滑到十度分辨率后,温差均方根约为 30 微开尔文,不确定度为 5 微开尔文。均方根用来概括起伏的典型大小。平滑尺度与天区选择都是这项数字的一部分:把邻近方向平均得更多,小斑块被抹掉,测得的起伏自然会变小。
来源:[1]
斑块有多大,也包含物理信息
DMR 波束约宽七度,能看见的是大片纹理。波束更宽,每次读数就平均更多天空,较小斑块先消失。角功率谱把一幅图按角尺度拆开,概括大斑块、小斑块分别贡献多少起伏。天空图告诉读者结构在哪里,功率谱告诉读者结构在哪些尺度上更强。
宇宙学家再把温差与早期物质密度、光子经过的引力环境联系起来。稍密一点的区域能够吸引更多物质,起伏就可能随宇宙演化长大。温度图与质量密度之间需要物理模型来连接。COBE 给出了大尺度起伏的强度,模型必须解释这个数;后来的实验才分辨出更细结构,继续检验早期等离子体的性质。
微小纹理让结构的起点有了尺度
背景近乎均匀,星系却需要不均匀才能长成,这两幅图景终于有了可测量的接点。COBE 在大角尺度上找到微小差别,量出了它们的大小。同一片微弱辐射,既保留了早期热历史,也给计算宇宙结构怎样生长提供了起点。