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比COBE精度高10倍的WMAP

在COBE之后，NASA发射了精度更高的观测卫星“威尔金森微波各向异性探测器”（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe），简称“WMAP”。

WMAP对小尺度的分辨能力是COBE的10倍。

WMAP能够看见COBE所看不见的更细致的温度涨落分布。对于现代宇宙学来说，这个涨落的特征（尺度和温度差等）是十分重要的信息。

从COBE的温度涨落中能够看到暴胀的痕迹，但是WMAP可以分辨更细微的涨落，从中还能看到别的东西。这就是从宇宙诞生开始到“宇宙中性化”为止的38万年间，“声波”传递的痕迹。

这个“声波”，与地球上声音的传播并不一样。地球上的声波是空气的震动，而这里说的“声波”是在质子、电子和光子充分混合的气体（等离子体）中的震荡。

在电视中可能见过这样的场景，由于吸入了氦气而使说话的声音发生变化，原因就是“声音不是在通常的空气中而是在氦气中传播”，使音色发生了变化。

实际上，在宇宙初期的等离子体中传播的声波的情况也差不多，在不同“介质”里传播，状态会发生相应的变化。反过来说，研究了等离子体中的声波的传播方式，就能知道等离子体的性状，也就是宇宙的成分。

声波在等离子体中的震荡，是和等离子体的密度分布相关的。而等离子体的密度，是以温度涨落的形式印在宇宙背景辐射上面的，因此仔细观测并分析宇宙背景辐射，就可能得到等离子体—也就是宇宙成分——的信息。

上部为COBE，下部为WMAP观测的宇宙背景辐射的全天天图。红色是相对温度高的地方，蓝色的地方温度相对低，图像中为了明显，用颜色区分温度的涨落。实际上这个涨落的程度只有10万分之1，是非常接近均匀的微波天图；但从另一方面讲，这个只有10万分之1的涨落又是十分重要的信息来源。WMAP能捕捉到非常细微的涨落，分析这些涨落后就能得到许多信息，帮助我们进一步理解这个宇宙。

同时得到了宇宙学中的很多重要参数

如果质子的数目更多一些的话，声波在等离子体中传播的速度就会变慢。这意味着在到达“宇宙中性化”时刻的38万年里，声波在等离子体中的传播距离也更短一些。在这个条件下，涨落的尺度（对应于WMAP天图中的“斑点图”的尺度）就会变小。而由于质子多，在等离子体中震荡的幅度也增大，温度涨落的程度也会变得更强。

如果暗物质的量更多一些的话，也可能影响到温度涨落的分布。所谓暗物质，是用光（电磁波）无法直接探测的东西，它通过引力影响周围的物质。各种各样的间接证据表明，暗物质是确实存在的，但是还不知道它是什么。暗物质的量如果多了的话，涨落的尺度（“斑点图”的尺寸）看起来会变大，而涨落的幅度则变小。

就像这样，设定了质子的量、暗物质的量等各种不确定的参数后，就可以通过计算机模拟，得到假设条件下温度涨落的分布。之后再把模拟结果和观测结果相比较，选出与观测得到的特征最为符合的一个，这时的设置参数就应该和实际宇宙是一致的。这样的尝试，WMAP研究小组做了10万遍。

另外，观测宇宙背景辐射，就能了解宇宙空间中全部的物质和能量的密度。根据广义相对论，宇宙的空间会根据其中所携带的物质和能量发生相应的弯曲，结果就使光的前进路线发生弯曲。随着宇宙空间的密度不同，有时会产生凸透镜的效果（正曲率宇宙)，有时会让光线保持笔直前进的效果（平坦宇宙)，有时会是凹透镜的效果（负曲率宇宙)。这样的结果，就会反映在WMAP的天图中“斑点”尺度的变化上。

因此，根据 “斑点”的尺度，比较计算结果与观测结果，就能推断出宇宙空间中光的传播方式，进而了解宇宙空间中存在的物质和能量的密度。WMAP等观测的结果显示，宇宙背景辐射大致是以直线方式前进的，这就是说，宇宙空间大致是平坦的。

要保证宇宙空间的平坦，所需要的物质和能量的密度是可以计算出来的。同时，通常的物质（重子）和暗物质也能从宇宙背景辐射的观测中求出。但是，即便把宇宙中的通常物质与暗物质都加起来，也不足以让宇宙的空间平坦。也就是说，还有某种未知的能量在宇宙中存在着。

按照WMAP的数据计算出，在宇宙中，通常的物质（重子）约占4.6%，暗物质约占22.7%，剩下的72.7%被认为是暗能量。这些参数有一定的误差。另外，暗能量虽然不能直接观测，但是现在认为，正是这种未知的能量导致了宇宙的加速膨胀。

现代宇宙学中的重要的数据（宇宙学参数），很多都能从宇宙背景辐射的观测中求出。而知道了宇宙学参数，就能知道宇宙诞生以来都经历了怎样的变化，也就有可能重建宇宙的历史。

比如，根据WMAP数据计算的结果表明，宇宙年龄为137.5亿岁（误差为1.1亿年），我们常说的宇宙年龄137亿年就出自于此。

WMAP上看到的“斑点图”的本来面目

图中所示为质子、电子和光混合在一起的等离子体中的密度涨落（斑点）。密度高（温度高）的地方相当于WMAP的观测结果的红色部分，密度低（温度低）的地方对应于图中的蓝色部分。等离子体的特征，会根据等离子体中声波的传播方式而改变，结果表现在红色、蓝色的区域的大小和斑点的强弱。通过类似WMAP这样的观测，仔细研究宇宙背景辐射的温度涨落，就能了解等离子体的特征（也就是宇宙的组成）。另外，在这些密度斑上的高密区域，之后将会形成星系和星系团等结构。因此，观测宇宙背景辐射，还能观测到宇宙结构的种子。

（本文发表于《科学世界》2013年第5期）