「宇宙背景探測者COBE」是如何探測全宇宙的背景輻射的

宇宙是始於一次「大爆炸」嗎?若如此，這一爆炸是什麼樣子?它是均勻地膨脹還是脈動性地進行?星系是如何聚集成形的?這些都是天文界有待解決的最基本問題。20世紀80年代末，美國航空航天局發射出一顆天文衛星——「宇宙背景探測者(COBE)」，對太空進行觀測，尋找並記錄原始大爆炸所留下的遺迹。

COBE繪出宇宙的微波背景和紅外背景。微波背景輻射被認為是原始大爆炸的殘跡，它來自空間的各個方向，幾乎是均勻的，其能量相當於207K的溫度。COBE以空前的精度和靈敏性來測量這一輻射。它還尋找天文學家所預言的，但一直未發現的紅外背景輻射。那是第一批恆星、星系輻射的遺迹。

為何微波背景輻射受到如此重視，它的發現又被科學界看做一件大事，這是因為它是原始宇宙的「化石」。當我們回過頭去看宇宙「出生」時的情況，我們會看到什麼呢?我們能提出一個t=0的初始時刻，我們能「預測」到所有物質在均勻地濃縮到一個數學上無限密的點——奇點上。當然，在這種情況下，已知的物理定律已不適用了。按現行的宇宙學理論，在t=0以後的第3分鐘，質子和中子開始合成氦核，其時的溫度高達幾十億攝氏度。繼而，整個宇宙約有1／4為氦所佔有。這些理論與目前對恆星和太陽的觀測吻合得很好，但是這一論點僅適用於強子的物質形式，而不適用於占宇宙物質90％的暗物質。我們現在觀測到遙遠的星系正在相互遠離，所有的星系都是爆炸中的一部分，因而推測爆炸出現在約150億年之前，但無法定出爆炸中心的位置，因為原來沒有中心。當時空本身處在膨脹之中，任何東西都在相互離開。微波背景輻射充滿在整個熱爆炸宇宙之中，它隨著宇宙的膨脹而冷卻，這樣它就能為我們提供宇宙極早期的信息。

COBE的另一個重要探測任務，是去尋找理論所預言的一系列天文事件。

在年青的熱宇宙中，自由帶電粒子(特別是電子)產生輻射。

這一輻射事件始於大爆炸的第一年，因為當時這些帶電粒子能量很高，它們不斷地漏出能量以創生光子。宇宙背景輻射中的光子數量就是在那個時期確定下來的，以後幾乎沒有變化。第二個事件發生在物質粒子間開始碰撞約1000年之後，這是指物質不再嚴重地影響輻射的波長，因為此時輻射已變弱(和以前相比)。第三個事件發生在大爆炸後約50萬年，物質已變冷，電子已難於維繫在核的周圍而形成質子。在此事件後，電子就不再與光子相碰撞，宇宙對於輻射來說，一下子變得透明了，這就像霧突然被蒸發掉一樣。

但科學家迄今尚未探測到那個時期物質與背景輻射相互作用的直接證據。實際上當時輻射很強烈，它控制著極大部分物質的運動及溫度。按理論來說，應該在輻射背景上看到這些痕迹，故人們期待COBE探測到那些事件的痕迹。若宇宙並非如我們所想像的那樣簡單、平滑、均勻。譬如，若騷動的能量被釋放，或者原始黑洞確實存在，那麼COBE就有可能「看」到它們，因為它們將提高物質的溫度，並改變背景輻射的波譜。

COBE將詳細地研究宇宙背景輻射，它精確地測定其波長，測出不同方向上輻射強度的微小差異，因為正是這些微小差異中隱含著新的物理現象。我們目前觀察到，宇宙物質集聚有一個等級式的模式，從微觀的星塵埃到直徑上億光年的超星系團，可是我們並不太清楚它的形成過程。COBE將去尋找這個答案。天文學家推測，星系大概是在爆炸後的200萬年的那個時期形成的，在這一形成過程中又出現巨大的爆炸，但卻一直未觀測到這種爆炸所產生的輻射。COBE將探測這種輻射，並記錄它的光子能量。

COBE擁有一系列現代最新技術武裝起來的觀測手段。為了阻止來自太陽的干擾，所有儀器都裝在一個錐形罩中。對紅外探測儀器更是小心翼翼，把它置於真空絕熱的容器中，用600千克的液氦，使其保持在近乎絕對零度的環境中。

這顆衛星運行於900千米高的上空，它的飛行軌道只經過地球的微明區上空，從北極走向南極，這樣可將太陽、地球的強光和強熱的影響縮小到最低限度。這一軌道還將使COBE上的儀器一直保持著向「上」看的姿態，並使自己免受陽光的直射。900千米的高度是恰到好處的，這使得衛星既免遭地球大氣的干擾，又逃出高空輻射區的質子、電子襲擊。

飛船本身的設計也不一般。它是第一顆沿著一根不固定線旋轉運行的衛星，它的旋轉軸線會經常變動，以使它保持向上「看」的狀態。衛星收集和存儲觀測到的數據，然後再發回地面，地面站可通過中繼衛星系統向COBE發號施令。

飛船最主要的儀器有三台。它們可測量1微米到1厘米波段的所有輻射，它們是：

微分微波輻射計 該輻射計將在三個波長(305毫米、507毫米、906毫米)上繪出天圖，以測定早期宇宙到處都是相同的密度和溫度。它能以7°的解析度找出1000個離散源。它工作在較短的波長上，可把來自銀河的干擾(波長較長)壓到最低限度。由於它在三個特定的波長上測量，因此能把背景輻射與銀河的輻射區分開來。它還備有自己的校正儀，其誤差僅1％。它的天線也是特別的，能很好地避開不感興趣的天體的干擾。這台輻射計是如此敏感，它能辨出兩個很暗的亮點，只要它們的亮度高於宇宙背景輻射0001％即可。

遠紅外分光光度計 這台儀器是用來測定宇宙背景輻射的波譜(所有各個波長上的強度)，從中可看出宇宙是否出於一個簡單的爆炸。它保持在極低(2K)的溫度中，以將其本身的輻射縮減到最小；否則，由於它的高靈敏度，它將受到自身的干擾。它所獲得的數據要比過去同類實驗精確100倍。

這台光度計也和上述的輻射計一樣，在它觀測天空時，以7°的解析度把觀測區域分成1000個小單元。當輻射通過儀器時，就被其內附的輻射測量計(一種微小而靈敏的測熱計)所測定。其靈敏度之高，可測出百億分之一卡的熱能，相當於從美國紐約的一隻燈泡發出的，被在華盛頓的一枚郵票上接收到的熱量。

彌散紅外背景輻射的探測儀 這一儀器要探測的是第一批恆星所輻射出的熱量。它測量的是集體性的幾百萬顆星體的閃爍，而不是放大單個天體的光。它用10個濾波器以供選擇不同的波長，天文學家期望該儀器能在某些方面改進「紅外天文衛星」過去所做的測量。它覆蓋較寬的波段，能把均勻的亮天區與暗天區分開來。它可在1微米～3微米的波長上測定輻射的極化現象。它可在不受太陽影響的情況下，具有一個很寬的掃描角度。

COBE的觀測最終將在100個波長上繪出一幅完整的天圖。天圖不僅展現出宇宙現在的模樣，還將顯示出自大爆炸後一年以來所發生的事件跡象。天文學家將用它來確定宇宙是否旋轉，這是目前天文界頗有爭論的一個問題。宇宙是否均勻膨脹?何時形成第一批恆星和星系?它們又是如何集聚成團?為此，天圖還將表示出河內恆星、星際空間和行星際空間的塵埃雲的位置。

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