宇宙閃爍是宇宙背景輻射的原因嗎（當我們說宇宙背景輻射的溫度是3K時）

2023-05-09 18:21:49

任何有內能的物體（溫度不是絕對零度，或者0 K）都會通過電磁波（光）的形式向外輻射能量。黑體輻射能量隨波長的分布可以用普朗克(Planck)輻射函數表示。將輻射強度隨波長的變化繪製到圖上，我們可以發現，最強輻射的波長與溫度有關，溫度越高，最強輻射的波長越短。從普朗克方程所得的這一規律稱作維恩（Wien）位移定律。此外，隨著溫度的升高，所有波長的輻射強度都會增加。

這樣的現象你可以從加熱一根鐵棒的過程中感受到。一開始，鐵棒的所有輻射都處於紅外波段（一種波長太長，以至於人類無法看到的光）內。隨著鐵棒的溫度升高，它發出的電磁波的波長進入到可見光範圍，鐵棒開始慢慢變紅。隨後，最強輻射的波長越來越短，你可以依次看到鐵棒從橘黃色變成黃色，最後變成白色。故而通過分析波長光譜，可以計算物體的溫度。黑洞附近溫度極高，最強輻射的波長極短，屬於X射線的範圍內。像我們的太陽這樣的恆星，輻射的能量主要在可見光區域，而像行星這樣溫度較低的物體則發射不可見的紅外輻射。

圖解：普朗克定律描述的黑體輻射在不同溫度下的頻譜

宇宙大爆炸產生的極端高溫釋放了強烈的、波長非常短的輻射，之後隨著宇宙的冷卻，這些極端的輻射變成了微波（這也可以解釋為，隨著宇宙的膨脹，輻射的波長不斷伸長）。微波的波長甚至比不可見的紅外線都要長，位於射電望遠鏡的觀測波段範圍內，這使得它們可以被射電望遠鏡捕捉到。現在，宇宙大爆炸遺留下來的「背景輻射」可以從各個方向觀測到，將觀測到的宇宙背景輻射的輻射強度隨波長的變化繪製成圖，你會發現，它與溫度在2K到3K之間時的黑體輻射曲線相匹配。

簡單的回答是，這是實驗者在測量宇宙微波背景光子的波長(通過名字不難猜到，測量的輻射多位於微波波段)。通過以下式子，可以通過輻射的波長計算得到光子能量：E=hc/ λ。

補充信息：

E為光子能量

為波長

c為光速，c=3.0×〖10〗^8 m/s

h為普朗克常數，h=6.63×〖10〗^(-34) Js

根據以下式子將波爾茲曼（Boltzmann）常數k代入，可以通過光子能量算得輻射體的熱力學溫度。

k=1.38×〖10〗^(-23) J/K=8.62×〖10〗^(-5) eV/K

因此，當宇宙學家談論光子的「溫度」時，他們基本上是在描述該溫度下光子攜帶的效能量。

談及溫度這個關鍵的變量，必須強調的一點是，並非每個來自宇宙背景的光子的溫度都是2.7K。事實上來自宇宙背景的粒子的能量（或者溫度）涵蓋了非常大的取值範圍，然而，根據維恩位移定律，宇宙背景的輻射波譜正是2.7K的黑體的輻射能量的光譜：λ_max=2.90×〖10〗^(-3) T（m/K）

2.7K的黑體的輻射峰值所在的波長為：λ_max=7.92×〖10〗^(-3) m。

這正是實驗人員觀察到的宇宙背景輻射波長。

但這並不是說來自宇宙背景的光子的溫度都是2.7K的，而是它們整體看上去好像是一個2.7K的黑體發射出來的光子。

天文相關知識-宇宙背景輻射

宇宙背景輻射是一個來自宇宙大爆炸的電磁輻射，它來自於我們所觀察到的光譜區域，宇宙微波背景是其成分之一。宇宙微波背景是紅移的光子，從宇宙剛剛開始變得稀薄、輻射能量的時候就在宇宙中自由地散播了。宇宙微波背景的發現和對其性質的詳細研究被認為是大爆炸的主要例證。宇宙背景輻射的發現表明（1965年偶然發現的），早期宇宙是一個極高溫度和壓力的輻射場。