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title: "COBE 天空图里微小的温度差"
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last_modified: "2026-10-24"
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[测量宇宙膨胀的历史](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/#cosmology)

天文 · 宇宙学 · 引力

# COBE 天空图里微小的温度差

Sandbox Physics · 2026-10-24

几乎处处一样的微波天空，怎样显露宇宙结构的早期线索？

1. 比较两个天空方向
2. 用反复测得的差值拼图
3. 去除运动与前景信号
4. 测量剩下的角度结构

1992 年的发现针对大角尺度，精细的声学结构由后续实验测量。

## 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。

来源：[1] [5]

## 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。

来源：[2] [3]

## 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。

来源：[1] [2]

## 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。

来源：[1] [4] [2]

## 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。

来源：[1] [4]

## 接着探索相关模型

选一个模型，亲手试试文章里的物理想法。

### [把合成微波天空调得更模糊](https://sandboxphysics.com/zh/labs/cmb-sky-angular-spectrum/)

把接收波束调宽，看小斑块怎样消失。

二阶至十二阶合成天空与功率谱，都从同一组球谐系数计算。

## 来源与阅读说明

1. [Smoot et al. (1992), Structure in the COBE Differential Microwave Radiometer First-Year Maps](https://cosmos.lbl.gov/PDFs/1992ApJ___396L___1S.pdf)

   第一年各向异性发现；将平滑、偶极扣除、银河遮罩与 30 ± 5 微开尔文均方根一起阅读。

2. [NASA LAMBDA, The COBE Differential Microwave Radiometers](https://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe/about_dmr.html)

   六套接收机、三个频率、六十度差分指向与七度波束。

3. [NASA LAMBDA, COBE DMR Sky Maps and Analyzed Science Data Sets](https://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe/dmr_products.html)

   由差分观测重建天空图，以及不同频率和独立通道的数据产品。

4. [Peebles (2019), Nobel lecture: How Physical Cosmology Grew](https://www.nobelprize.org/uploads/2024/02/peebles-lecture-2.pdf)

   作者把复合、微波涨落、星系聚集与暗物质宇宙学历史联系起来。

5. [The Nobel Prize in Physics 2006](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2006/summary/)

   Mather 与 Smoot：黑体形状与各向异性，对应 COBE 互补的两种测量。

[我们怎样读懂宇宙](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/) [COBE 把天空与人造黑体放在一起比较](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/cobe-blackbody-spectrum/) [从平滑的微波天空到结成团的星系](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/peebles-growing-universe/) [检查完天线，天空仍有一层微波底噪](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/penzias-wilson-microwave-background/) [遥远超新星揭示了加速膨胀的宇宙](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/supernova-accelerating-universe/)