本院1998年年轻研究人员著作奖得奖人 研究成果简介
首先让我们对「大霹雳宇宙模型」(Big
宇宙微波背景辐射 —早期宇宙的化石
吴建宏 物理研究所副研究员
广义相对论最重要的结果之一是爱因斯坦 方程式,它把时空的扭曲与物质的分布联系起 来.1910年代,宇宙学家们应用爱因斯坦方程 式来探讨宇宙的动力学,结果得到一个不断在 膨胀或收缩中的宇宙.后来到了1920年代,天 文学家哈伯陆续发现遥远的星云有红移现象, 慢慢引证了宇宙膨胀学说. 当然,我们对宇宙的了解,今非昔比,近 三十年来,大型的天文望远镜如雨后春笋,尤 其是前几年升空的哈伯太空望远镜(HST),更 能窥视遥远的星系.我们除了利用天文望远镜 继续测量星系的红移现象,和描绘星系间的大 区域结构外,还采用微波天线来探测「大霹 雳」遗留下来的热辐射背景.1963年,宇宙微 波背景辐射初次被发现;1992年,宇宙背景探 索者(COBE)卫星负载之DMR探测仪测量到由 宇宙物质分布不均而指印在背景辐射之各向不 同性,这些宇宙物质的密度微扰是大区域结构 和 星 系 形 成 的 起 源 . 记 得 数 年 前 当 COBE DMR探测到宇宙微波背景辐射的各向不同性 时,宇宙学家雀跃万分,甚至比喻此项发现为 「看见上帝之手」.此项发现,不但使「大霹 雳模型」又多了一根碁柱,更可以间接测试 「暴胀宇宙论」.
Bang Model)作一个初步的了解.早期的宇 宙,是一个体积小但能量高达10 19 GeV(1 GeV=1013 K,K为绝对温度)的火球,如果我 们采信粒子物理的理论,那时候构成宇宙物质 的基本粒子,包括轻子(即电子和微中子 等),夸克子,光子,胶子和介子等.因为那 时候的温度极高,它们都处於热平衡状态中. 当宇宙不断的膨胀,温度不断的下降时,较重 的粒子会陆陆续续的衰变成较轻的粒子.当宇 宙的温度降到1 GeV时,夸克子—胶子离浆便 会产生相变,合成为强子,这些强子绝大部份 是重子—质子和中子.除此以外,宇宙中还有 剩下来的轻子和热辐射.当宇宙的温度再降到 1 MeV时,质子和中子会产生核反应,制造出 轻核子D, 3He,4He及7 Li等,此个阶段叫做 「大霹雳核合成」(Big Bang Nucleosynthesis).温度到了大约1 eV时,轻核子会吸取电 子合成为轻元素;整个宇宙亦同时变成透明, 意谓热辐射中止被物质散射,而变成自由的黑 体辐射(我们因此叫此个时刻为「最后散射 面」).再经过一百多亿年的演变,宇宙中的 轻元素不断聚集,成为今天我们观察到的星 团,星系和星系集团等;剩余的黑体辐射就是 我们所谓的「宇宙微波背景辐射」,它现在的 温度大约是3 K,几乎接近绝对零度.所以, 我们侦测宇宙微波背景辐射的特性,不但可以 直接窥探早期宇宙的最后散射面,还可以推算 热辐射经过一百多亿年的旅程后,由宇宙物质 的大区域密度微扰所引起的重力红移.
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总括来说,宇宙学家现在大致上有了一个 宇宙的图像,他们认为构成宇宙的物质,除了 上述的物质外,还有所谓的冷黑暗物质(Cold Dark Matter),它可能占了宇宙总物质的八成 以上,并对大区域结构的形成具有决定性的作 用.再者,如果我们相信「暴胀宇宙论」,它 不但可以一拼解决许多「大霹雳模型」内含的 宇宙难题,也预测了今天的宇宙是非常平坦的 (即是说宇宙的总能量密度刚好等於临界密 度);并且在早期宇宙暴胀时期所产生的能量 密度微扰有一特定的阶谱,不同的阶谱对大区 域结构的形成或宇宙微波背景辐射的各向不同 性等会有不同的影响.目前,大部份宇宙学家 都信相所谓的平坦CDM模型:宇宙是平坦 的,重子物质的能量密度占了宇宙总能量的百 分比ΩB满足ΩBh ~0.01(h是无单位的哈伯常 数,定义为H=100 h km s Mpc ,此关系式 是根据「大霹雳核合成」的理论,与测量宇宙 轻元素分布的结果而来),其他的物质是非重 子性的冷黑暗物质-如超对称粒子,重微中 子,或轴子等.一般相信h值大约是0.5,所以 ΩB~0.04,即是一般我们所熟悉的物质只占了 宇宙全部物质的4%,其他96%都是未知道为 何物的黑暗物质;从平坦CDM模型,我们亦 可以算出宇宙的年龄大约是一百三十亿年,这 个理论值与观测一些星团寿命的结果大致相 符.所以,有了观测的结果和理论的辅助,宇 宙学已渐渐进入一个定量的阶段;我们相信以 COBE及其后续的背景辐射探测仪的高精确 度,HST的强大探远能力和其他在进行中的天 文观测等,宇宙学将会进入一个新的纪元,其 目标就是要准确地测量宇宙参数,如宇宙年 龄,哈伯常数,和物质密度等等,来测试各别 不同的宇宙模型,最后描绘出宇宙的真貌.

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