[비즈한국] 光滑，光滑的。噗噗，噗噗的。坑坑洼洼，坑坑洼洼的。当Kani为了准备韩语考试而练习时，他嘴里念叨的这句话在人们耳边萦绕了许久。或许是因为他独特的节奏感。然而，我听到他歌词的瞬间，脑海中却浮现出了一个风马牛不相及的概念：宇宙微波背景辐射（CMB）。Kani的歌竟然出奇地体现了宇宙微波背景辐射的本质。
宇宙微波背景辐射是光滑的、平坦的，同时又是坑坑洼洼的。
宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸理论最有力的证据。根据大爆炸理论，宇宙在太初时处于比现在高得多的密度状态。因此，当时的宇宙温度极高。然而，宇宙开始了突然的膨胀，热量均匀地散布到四面八方并冷却下来。现在的宇宙已经冷却到仅比绝对零度高出2.7度的极低温度。大爆炸后炽热的宇宙所蕴含的热量在均匀散布并冷却后留下的残余热量痕迹，正是宇宙微波背景辐射。
1964年，物理学家彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）在贝尔实验室使用的一款海螺形状的天线中捕捉到了无法解释的杂音。虽然该杂音非常微弱，但却在天空中从四面八方均匀地被捕捉到。起初，他们并不清楚这是什么，但最终意识到这些信号并非来自地球，而是来自宇宙本身。最初彭齐亚斯和威尔逊捕捉到的宇宙微波背景辐射非常“光滑”。它表明整个宇宙都在以完全相同的温度均匀地冷却。这种光滑性证明了宇宙正如大爆炸理论所言，是以非常均匀且各向同性的方式在整个宇宙空间中膨胀的。
此外，目前宇宙冷却的程度展现了宇宙在此期间膨胀的速度。宇宙的命运取决于填充宇宙物质产生的引力，以及旨在进一步推动宇宙膨胀的暗能量的量。宇宙没有边界，也没有大小。因此，宇宙的物质和能量通过密度来表达。如果宇宙密度太高，引力就会变强，宇宙将坍缩；如果密度太稀疏，宇宙很早就会随着无法控制的膨胀而四分五裂。
宇宙微波背景辐射的观测证明了宇宙是一个极其精密的世界。宇宙中的物质和能量刚好填充了介于两者之间、不盈不亏的临界密度。普通物质和暗物质占总临界密度的30%，暗能量占剩余的70%。因此，总和完美地填满了临界密度。这意味着宇宙时空是完美平坦的。宇宙时空是平坦的，换句话说，没有曲率。这意味着在宇宙中，光线总是直线传播，不会弯曲。宇宙微波背景辐射不仅展示了宇宙是光滑的，还展示了它是平坦的。
但这还不是全部。在彭齐亚斯和威尔逊的首次观测之后，天文学家们现在使用更灵敏的太空望远镜来观测宇宙微波背景辐射。在不受地球无线电干扰的情况下，他们绘制出了分布得更加清晰的宇宙残余热量图。从最近普朗克卫星绘制的地图来看，宇宙微波背景辐射看起来不再只是“光滑”的了。它显露出了起伏和凹凸不平的样子。这是因为，如果温度比平均值高出或低出十万分之一度，就会被用红色或蓝色表示。也就是说，宇宙微波背景辐射从大尺度看是光滑的，但如果敏锐地观察极小的差异，就会发现突出的坑坑洼洼。
这种凹凸不平的温度差异代表了早期宇宙的密度差异。在某处偶然比周围的密度稍高或稍低。这种微小的密度差异导致了微小的引力差异。以密度较高的区域为中心，物质逐渐聚集，最终产生了更强的引力，吸引了更多的物质。就这样，以这些地方为核心，星系诞生了，星系团形成了。在更灵敏的望远镜所绘制的宇宙微波背景辐射中确认的坑坑洼洼的温度起伏，即密度起伏，成为了构建当今宇宙大尺度结构的星系种子。
如此一来，Kani唱出的三个词——光滑的、平坦的、坑坑洼洼的——准确地契合了宇宙微波背景辐射所描述的宇宙特征。从天文学家的角度来看，Kani无意中歌唱出了最完美的宇宙演化过程。宇宙微波背景辐射现在完美地解释并证明了我们的大爆炸宇宙论。然而，依然还有著名的未解之谜存在。
宇宙微波背景辐射归根结底是对从四面八方涌来的无线电波和光进行观测，并将其表现为地图。然而，在观测光时有一个重要问题：观测者自身的移动也会影响对光的观测。当我们向着光前进时，光会因为多普勒效应向波长变短的方向偏移，相反，当我们远离光时，光会向波长变长的方向偏移。前者分别被称为蓝移和红移。
地球环绕太阳运行，太阳也在银河系中大范围环绕。我们的银河系也与其他周围的星系一起在宇宙空间中快速移动。因此，我们不是宇宙中静止的观测者。所以，当我们观察宇宙微波背景辐射时，我们正朝着天空的一半前进，而另一半天空则不断地从背后远离。一半经历蓝移，另一半经历红移。实际观测宇宙微波背景辐射时，这一点被如实反映了出来。因此，正如在地图上所看到的，一半被表示为红色，一半被表示为蓝色。这就是所谓的宇宙微波背景辐射的“偶极”。
有人看到这个画面说它像太极图案，但这与太极毫无关系。它只是展示了宇宙的一半看起来比平均温度更热，而另一半看起来更冷而已。由于试图将以立体球形观测到的宇宙绘制成平面地图，因此导致形状被拉长成了椭圆形；此外，地球向着宇宙微波背景辐射前进的方向相对于银河盘面有很大的倾斜，而这张图将银河系表现为与x轴平行，导致变热的宇宙和变冷的宇宙方向略有偏差，看起来就像太极一样。
无论如何，通过这种经历着半边蓝移和半边红移的宇宙微波背景辐射观测，我们意识到我们所居住的这个地球，相对于宇宙微波背景辐射正以360km/s相当快的速度进行高空飞行。这是由我们自身的移动造成的。因此，即使以实际上对我们而言几乎可以视为静止的、非常遥远的背景星系为基准进行测量，也应该得到相似的值。我们理所当然地认为会是这样。
然而，最近的观测结果却出人意料。如果我们正穿过宇宙空间向着某一个方向快速移动，我们将能够在前进的方向看到更多的星系。这是因为光在那里变亮的多普勒效应，以及光在前进方向发生弯曲而产生的一种光行差效应混合在一起导致的。在本次分析中，天文学家利用观测低频无线电的LOFAR射电望远镜，观测了遥远宇宙边缘类星体等射电星系的闪光，并对其数量进行了统计分析。
结果令人震惊。显示出了比仅仅根据现有宇宙微波背景辐射所推测的强三倍以上的偶极。换句话说，这意味着我们正以比预期快近三倍的速度在宇宙空间中疾驰。能够解释这一令人困惑的结果的，主要只有两种可能：一是与我们的预期相反，分布在宇宙边缘的类星体并非均匀分布，而是具有倾向于一个方向分布的各向异性；二是指我们需要从头开始修改关于宇宙大尺度结构形成过程的基础物理定律。无论如何，这两种解释都超出了我们的预期。
参考
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/6z32-3zf4
作者池雄培（音译）是？热爱猫咪和宇宙。儿时看过《银河铁道999》后，立下了向世人宣传宇宙之美的梦想。目前担任世宗大学自由专业学部助理教授，进行讲座及写作等各种科学传播活动。著有《每天一片宇宙》、《星光闪耀的宇宙科学家们》、《虽然去不了但能知道》、《看到宇宙就会浮现的奇怪问题》等书，翻译了《银河系漫游指南》、《我为何杀死了冥王星》、《量子生活》、《Cosmigraphics》等书。