宇宙19｜人类发现宇宙结构的种子，宇宙中也有声音

1964年，美国贝尔实验室的两位工程师在天空的各个方向上，无意中发现了神秘的热噪信号，他们当时认为，这不是杂波干扰，就是设备出现了问题。

但是当他们排除了所有的可能之后，甚至把天线喇叭口里面的鸟粪都铲干净了，依然消除不了这种充满全天空的低温辐射。

这其实就是普林斯顿大学迪克团队正在寻找的，宇宙微波背景辐射，是大爆炸火球留下来的余温。这就像你烧灶火做饭一样，过上几个小时以后，灶火里面还会残留一些温度。区别在于，灶火降温是热量损失的结果，而宇宙的降温是因为空间膨胀导致的。

上图就是彭齐亚斯和威尔逊测量结果的模拟图，绿色部分就是充满全天空的微波背景辐射，温度只有3.5K，这个发现就证实了大爆炸理论的正确性。

但是人们还有一个疑惑，彭齐亚斯他们测量的结果显示，早期宇宙的温度和密度是完美均匀的，也就是在他们的测量结果中看不见有温度的波动。

虽然我们经常说，宇宙在大尺度上处处均匀，各向同性，这是我们熟知的宇宙原理，但是我们知道，宇宙不可能做到完美的均匀。

因为，如果宇宙中的物质是完美均匀的的话，那么物质就不可能随着时间的推移，在引力的作用下聚集成块，进而形成恒星、星系、星系团这些大尺度结构，当然也不可能诞生人类。

所以我们的宇宙需要在某种程度上具备一些不均匀的性质，这就是所谓的密度波动，当然物质分布的密度波动，表现在微波背景上，就是温度波动了。

因此，人们相信微波背景中的温度波动肯定有，只不过是彭齐亚斯他们的设备不行，测不出来，所以在1989年的时候就发射COBE卫星，其中携带的仪器：差分微波辐射计，就是用来测量微波背景的温度波动的。

上图就是1992年COBE卫星返回来的结果，其中的蓝色部分是温度偏低的区域，代表了这些地方的物质密度较高，绿色部分是微波背景的平均温度，代表了物质分布的平均密度，红色部分是温度偏高的区域，就代表了这些地方物质的密度较低。后面我会解释高温和低温区域是如何形成的？以及跟物质密度有啥关系？这里就先大概地记一下就行了。

需要注意的是，在图中有一大块的红色区域，这其实是我们银河系的盘面，所以它不代表任何东西。

根据COBE卫星的测量，我们发现高温区域和低温区域的温度波动只有平均温度的0.003%，正是这个微小的差异，才有了我们今天看到的宇宙结构。当然我们每一个人都来自这0.003%的微小波动。

那如何理解这0.003%的波动？它到底有多大？我举个例子，现在想象一个海面，在海面上有一些微小的波纹，波峰高几厘米，波谷低几厘米，但是整个海水的深度有1千米，现在我们把波峰和波谷一平均，就是整个海水的平均深度了，这个平均深度就是微波背景中的平均温度。

那波峰高的那一点点，就是微波背景中的热点了，波谷低的那一点点就是微波背景中的冷点了。也就是说，在很小尺度上，海面确实有波动，但是当你把整个海水的深度都考虑进去的话，我就可以认为整个海水的深度都是一样的。

这就是微波背景辐射中温度波动的幅度，非常的小，这也是为什么我们说宇宙处处均匀，但又必须存在微小的密度波动。

好，下面我们说，微波背景中的冷点和热点是如何形成的？也就是它和物质的密度有啥关系？

影响微波背景光子温度的效应有两种萨克斯–沃尔夫效应和积分萨克斯–沃尔夫效应。第一种效应发生在最后的散射面上，也就是中性原子形成的时候，是微波背景辐射温度波动的主要来源，也是基础来源。

第二种效应发生在，从最后的散射面到地球传播的这段时间内，是微波背景辐射中大尺度热点和冷点形成的原因。

先说第一种，宇宙最初的密度波动来自于空间能量的量子涨落，随着宇宙空间的暴胀，这些量子涨落就被拉伸到了整个宇宙空间，随后宇宙暴胀结束，大爆炸开始，这个时间大约是10∧–36秒，空间能量就衰变产生了物质，这时宇宙中的物质就已经因为量子涨落有了微小的密度波动。

也就是密度不均匀，有些地方的密度高，有些地方的密度低，就跟我刚才说的海平面一样，有些地方高几厘米，有些地方低几厘米。

这种情况一直就持续到了宇宙诞生后的38万年，也就是中性原子形成的时候，但在这之前，宇宙又发生了一件事，改变了物质的密度分布。

这就是我们上节课提到过的重子声波振荡BAO，我们知道在中性原子形成之前，宇宙中充满了重子物质，也就是质子，以及由质子和中子组成的氦核，还有轻子物质，也就是电子，当然还有大量的光子，以及暗物质。

在前面的视频中，我多次有提到，在这38万年间，光子除了在拆散原子核与电子的结合以外，还在不断地与带电粒子发生弹性散射。

除了这些之外，在38万年间还发生了一件特别壮观的事情，也就是我们现在要说的重子声波振荡。

前面我们说了，宇宙中的物质从一开始就具有不均匀的密度涨落，所以他们会在引力的作用下自发的成团，也就是密度更高的区域会吸引越来越多的物质。

首先成团的肯定是暗物质，因为他们比普通物质的数量多了6倍，因此在暗物质帮助下，等离子体也会朝着暗物质聚集的地方自发成团。

但是当等离子体塌缩的时候，他们会受到光子的排斥力，等离子体塌缩的越快，排斥力越大，就像是一个被压紧的弹簧一样。

然后在一瞬间，光子会将所有的重子物质向周围弹开，等这些重子物质飞出去以后，他们又会受到引力的作用，然后又向暗物质中心坍缩，又被光子弹开，又塌缩又弹开，就这样重复了几十万年的时间。

这种现象就像是声音在介质中传播一样，也是物质疏部和密部来回振荡，所以我们将这种现象称为重子声波振荡。

当38万年以后，等离子体转变成了中性原子，光子不再与中性原子发生相互作用了，所以从此以后重子声波振荡就停止了，就保留下了最后的形态。

这就像是，你在湖面上扔一块石头，产生了波纹，然后整个湖面被瞬间冻结了，这个波纹也就被保留了下来。

那么经过重子声波振荡以后，宇宙中重子物质的分布就发生了改变，会留下很多以暗物质为中心的壳层结构，在壳层的外围普通物质的密度比较高，在壳层的中心暗物质的密度比较高。

因此在未来形成星系的时候，星系在大尺度的分布上应该会呈现出如图中的规律，星系会多集中在一个壳层当中，而且每个壳层的半径都是一样的，这个现象已经在斯隆数字巡天项目中得到了观测的证实，并且测量出这个壳层的半径为4.9光年。

当然这是经过了宇宙膨胀以后才变成了4.9光年，当年在最后的散射面上，也就是重子声波振荡刚被冻结的时候，这个距离大约为39万光年。

那么这对微波背景的温度波动有啥影响？一句话，物质密度的分布，影响着微波背景温度的波动模式。

我知道，当中性原子形成以后，光子就开始沿着直线传播了，但是光子想要自由地传播，就需要从物质的引力势阱中逃出来。而引力势阱又受到了物质分布的影响。

所以物质的分布对微波背景光子的影响有以下三种情况：

当光子从低密度区域跑出来的时候，它受到的引力红移较小，所以它保留的能量就多，这就对应了微波背景中的热点，所有红色代表了低密度区域。

当光子从平均密度区域跑出来的时候，它受到的引力红移不大不小，那当然保留的能量也就不小不小了，这就对应了微波背景中的绿色区域，所以绿色区域代表了平均密度区域。

当光子从高密度区域跑出来的时候，它受到的引力红移就大，损失的能量就多，这就对应了微波背景中的冷点，所以蓝色代表了高密度区域。

这就是微波背景辐射冷点和热点最主要的来源，当然我们也在微波背景中发现了重子声波振荡的痕迹。这跟我们的巡天项目获得的结果吻合得很好。

那么当光子逃出最后的散射面以后，它从散射面到被我们接收，这段时间在空间中传播的时候，还会受到星系团，以及宇宙空洞的影响。

这就是我们要说的第二种效应了，积分萨克斯–沃尔夫效应！其实也是引力红移的影响，不过按理来说，光子进入了星系团的引力势阱获得了能量，它现在要逃出星系团的引力势阱，就要损失同样的能量，光子并不会受到影响。

但是，我们的宇宙在加速膨胀，这会带来一些微妙的变化，我们知道星系团的尺度一般很大，光子想要穿过它也需要花点时间，但是在穿过星系团的时候，因为宇宙的膨胀会被星系团的引力势阱拉得更平坦一些，所以当光子逃出来的时候它就会保留一些能量，这样就会造成微波背景中光子的温度发生变化。

同样的，当光子想从充满星系的地方，进入宇宙空洞的时候，就会损失能量，当他从宇宙空洞进入有物质的地方的时候，又会因为宇宙的加速膨胀，导致它补不齐之前损失的能量了，所以光子从宇宙空洞中就会额外的损失能量。

以上的这两种效应会在光子传播的路径上不断的累积，所以叫积分萨克斯–沃尔夫效应。这两种效应可以解释大尺度上宇宙微波背景异常的冷点和热点。

只要我们把宇宙微波背景和巡天项目获得的星系地图结合在一起看的话，就能够知道从散射面之后到今天物质结构的演化过程。

最后还有一种效应可以改变微波背景光子的能量，逆康普顿散射。先说什么是康普顿散射，说的是一个高能光子，进入物质的时候，会与物质中原子的电子发生散射，波长变长的现象。

那逆康普顿散射就是一个高能电子与能量较低的光子发生碰撞以后，光子波长变短的现象。当微波背景的光子在星系团中传播的时候，星系团中有很多电离的气体，所以这些光子就会与其中电子发生碰撞，导致波长变短，也就是能量增加了。这种效应还会导致微波背景辐射，偏离完美的黑体谱。

好了，以上就是微波背景辐射中冷点和热点的主要来源，以及影响因素。通过研究微波背景辐射，我们就可以知道宇宙最初物质的分布情况，以及到今天的演化过程，我们也能够在微波背景中看到关于暗能量，以及暗物质的一些信息，比如上面提到的重子声波振荡。

好了，今天的内容就到这里。