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title: "背景光几乎是黑体，微小偏离还能留下哪些历史？"
description: "宇宙微波背景几乎是完美的黑体；微小偏离能记录宇宙诞生后两个月到37万年间释放的能量。"
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last_modified: "2026-11-12"
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[宇宙怎样变透明](https://sandboxphysics.com/zh/stories/cosmic-transparency/)

# 背景光几乎是黑体，微小偏离还能留下哪些历史？

Sandbox Physics · 2026-11-12

宇宙微波背景是早期高温宇宙留下的光，它的频谱几乎就是一条黑体曲线：每个频率上的亮度都只由一个温度决定。正因为它这么完美，它本身就成了一份记录。宇宙诞生约两个月后再注入光里的能量，已经无法被完全抹平，会把频谱压出可以辨认的形状；而在光被释放前后，也就是诞生后约37万年那段时间注入的能量，主要改变的是宇宙什么时候变透明。

## 一个数字决定的光

把电炉丝加热，它先发暗红光，再变成橙色。物体越热，发出的光越多，最亮的颜色也越往短波方向移。光和物质反复交换能量足够久以后，每种颜色的亮度都落在同一条只由温度决定的曲线上，这条曲线叫黑体谱。

早期宇宙正是这样的地方：光、电子和原子核挤在一起，不停碰撞。空间膨胀让光逐渐变冷，频谱的形状却保持不变。如今它的峰值落在微波波段，温度略低于2.73开尔文。

二十世纪九十年代初，COBE卫星上的FIRAS仪器测量了这条频谱。从十分之一毫米到一厘米的波长范围内，天空的频谱与黑体相差不到亮度的十万分之几。[Chluba，2013，第1节](https://arxiv.org/abs/1304.6120v2)

## 太早注入的能量为什么不留痕迹

假设某种过程向这团热气体额外释放了能量，比如某种粒子衰变。电子先被加热，再通过散射把能量交给光。

宇宙诞生后的头一两个月，气体又密又热，能同时做两件事：散射把光子在不同频率之间来回调配，其他碰撞又能产生和吸收光子。两者合起来，会重新造出一条黑体谱，只是温度略高一点。温度高一点的黑体看上去还是黑体，那份额外能量于是没有留下可见的痕迹。在本站使用的教学模型里，这条界线大约在红移两百万处，也就是宇宙诞生后约70天。

## 频谱上的两种指纹

再晚一些，光子仍能在频率之间调配，却来不及新产生。光的总能量对了，光子个数却不对，低频端的光子偏少。物理学家用化学势 $\mu$ 描述这种形状，在这里它衡量的就是光子缺了多少。这对应宇宙诞生后约两个月到几百年之间释放的能量。

几百年以后，连调配也慢了下来。热电子能把一部分光子往高频方向踢一下，却来不及把能量匀开。结果是低频端变暗、高频端变亮，两者在218吉赫附近交叉。这种形状以背后的散射过程命名，叫康普顿 $y$ 畸变。

两种形状之间没有一刀切的界线，在中间时期释放的能量会留下两者的混合。[Chluba，2013，第2节](https://arxiv.org/abs/1304.6120v2)

FIRAS两种形状都没有看到。它公布的95%上限是：$\mu$ 小于十万分之九，$y$ 小于百万分之十五。[Fixsen等，1996，摘要](https://arxiv.org/abs/astro-ph/9605054) 两种形状各自对应注入能量中已知的一份，所以这两个上限意味着：在宇宙诞生后几个月到几十万年之间，没有哪个过程向光里注入超过其能量十万分之六左右的能量。

## 迷雾散去的时刻

宇宙诞生后的头37万年里，光走不远。自由电子不停地散射它，就像雾中的水滴把车灯的光散得四处都是。宇宙冷到约3000开尔文时，电子和质子结合成氢原子，雾才散开。

这个温度低得出奇。把电子从氢原子里打出来所需的能量，远远超过3000开尔文下一个普通光子携带的能量。原因在于光子实在太多：每个氢原子核大约对应二十亿个光子。其中能拆开原子的只占极小一部分，可气体太稀薄，电子和质子要很久才能碰到一起，这些少数高能光子拆原子的速度足以与之抗衡。还有第二道关卡：原子直接落到最低能态时，会放出一个光子，这个光子又能把邻近的原子打散。

大部分光的最后一次散射，集中在红移1090附近几百的范围里。普朗克卫星从天空冷热斑点的图样中测出了相关的红移：$z_\ast=1089.92\pm0.25$。[Planck合作组，2018，表2](https://arxiv.org/abs/1807.06209v4)

在这一时期及以后释放的能量，几乎不改变频谱，因为原子本来就少，只需很少的能量就能扰动它们。这些能量会把一部分电子重新打出来，让雾散得不那么彻底。透明时刻的这种推迟，会出现在天空冷热斑点的图样里。

## 还在寻找什么

标准宇宙学预言的频谱畸变远低于FIRAS的上限，人们提出的新一代频谱仪正以此为目标。一项已发表的预测假设前景辐射几乎可以完美扣除，算出类似PIXIE的任务对 $\mu$ 的灵敏度可以提高几千倍。同一项研究还指出一个更微弱、却必然存在的信号：氢原子和氦原子形成时放出的微弱谱线。[Lucca等，2020，第2.4和3.3节](https://arxiv.org/abs/1910.04619v3)

不同的偏离，指向不同的时间。完美的黑体说明，最初一两个月之后没有发生大的能量释放，或者释放得太早、没留下痕迹。光子短缺指向几百年以前的能量释放。$y$ 形状指向更晚的释放。透明时刻推迟，则指向原子形成期间的释放。

## 来源

1. [Chluba，2013，第1节](https://arxiv.org/abs/1304.6120v2)
2. [Fixsen等，1996，摘要](https://arxiv.org/abs/astro-ph/9605054)
3. [Planck合作组，2018，表2](https://arxiv.org/abs/1807.06209v4)
4. [Lucca等，2020，第2.4和3.3节](https://arxiv.org/abs/1910.04619v3)

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