CMB光子是天文发掘的“宇宙活化石”

早期宇宙学研究可以追溯到宇宙诞生之后的大约10万年，天文学家的实际观测进入到了宇宙的边缘。最好的揭示历史神秘性的方法是回顾事件发生时的场景和过程，应用新的认识方法和检测工具，寻求事件发生的线索。宇宙的神秘性就在人们对星空的仰望之中，科学家一直在努力地探索，使用了创新的科学思维和改进的探测技术，认知水平伸向了宇宙史的深处，追溯到了宇宙诞生的最早期，科学认知的触角甚至延伸到了宇宙诞生的时刻。在宇宙大爆炸的前前后后发生了物理形态的变化，劳伦斯伯克利国家实验室（BERKELEY LAB）的研究人员开展了有关宇宙微波背景辐射（CMB）的一项研究，对早期宇宙的追溯到达了宇宙诞生之后的100年到30万年。

宇宙在大爆炸之后的时期发生了怎样的变化？研究人员希望找到其中动人心魄的线索。伯克利国家实验室的理论物理学家埃里克·林德是超新星宇宙学项目组的一名成员，他解释说宇宙学家绘制了早期宇宙史的标准画卷，在宇宙早期的演变中，热辐射首先占据了画卷的主要位置，然后是物质铺满了画卷主要的画面，大量的观测资料证实，早期宇宙发生了从热辐射状态到星系结构的转变过程。研究人员找到了更多的线索，占据“宇宙画册”主导位置的热辐射逐渐让位于占主导位置的星系，宇宙演化的图像似乎没有理论预期的精确性，早期宇宙可能有某种额外的热辐射，不是由微波背景辐射（CMB）光子组成。

目前对宇宙大爆炸和宇宙早期的整体知识依赖于CMB的观测数据，它是人们已知的宇宙中最古老的光线，宇宙在膨胀过程中逐渐冷却下来，CMB光子随之挣脱了其它粒子的束缚，自由光子和其它辐射粒子与质子和其它质子类的物质粒子发生了分离。CMB的测量结果揭示了宇宙从早期状态成长为大尺度结构的今日宇宙。埃里克·林德和阿里雷扎·霍贾提、约翰·单星组成了科学小组，对欧航局的普朗克卫星和美航局的威尔金森微波各项异性探测器（WMAP）收集的大量数据进行了分析，两台先进的探测器超过了以往探测器的分辨率，噪音低，覆盖了更广的天空区域。

从普朗克卫星和WMAP收集的数据出发，科学小组追溯了宇宙史的最早时期，甚至接近宇宙诞生的时刻，物理学家过去不能到达宇宙最早期的高能状态，现在有所不同。科学小组研究了宇宙大爆炸遗存的余辉——CMB光子，宇宙物理学家认为，在宇宙大爆炸之后出现了暗物质，观测结果与理论的预测相符，但存在与宇宙学标准模型偏离的现象，可能有某种超越或不同于CMB光子的相对性粒子，在热辐射向星系物质转变的过程中，相对性粒子扮演了特殊的角色。

相对性粒子的主要怀疑对象是野性十足的中微子，幽灵性的亚原子粒子难以捕捉，中微子稠密度在今日宇宙粒子中排在第二位，光子稠密度则排在第一位。不能从字面含义解释原初中微子的“野性”，这一形容词只是描述中微子的隐秘性，粒子物理学家现在能够观测和区分不同的中微子。相对性粒子的次要怀疑对象是暗能量，宇宙学家用反引力特性的暗能量解释了宇宙加速膨胀的动力之源，但暗能量观测异常困难。

有些高能物理学模型加入了暗能量因素，宇宙常数概念很好地符合了常规的暗能量，CMB分布将暗能量稀释到宇宙总能量密度的十亿分之一，暗能量分布在宇宙膨胀过程中逐渐得到稀释，早期暗能量理论指示，暗能量密度在早期宇宙比晚期宇宙高得多。在宇宙大爆炸之后的70亿年，早期暗能量变成了宇宙加速膨胀的驱动力，宇宙加速膨胀从大约60亿年前一直持续到了今天。暗能量概念展示了人类深刻的科学洞察力，指示了宇宙加速膨胀的根本原因，暗能量也为弦理论和其它物理理论提供了依据。

宇宙背景辐射（CMB）产生了极化现象，科学家和工程师研制了天文望远镜POLABEAR，专门望远镜的开发和应用有助于科学家更好地理解早期宇宙运行的物理机制，科学小组的早期宇宙研究成果主要有三个方面，一是在宇宙大爆炸后遗留的微波背景辐射中揭示了热辐射的特征，二是热辐射为主导的宇宙时期转化为物质形态为主导的宇宙时期，但转化过程不同于目前标准宇宙模型精确预测的结果，三是在早期宇宙发现了过量辐射的现象，或者与宇宙早期的中微子有关，或者与宇宙早期的暗能量有关，早期的暗能量作用已经转化为宇宙加速膨胀的内在动力。

（编译：2021-8-9）

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