微波背景辐射中的冷热点是怎么来的？它和物质分布有何关系？

宇宙微波背景（又称3K背景辐射）是宇宙学中“大爆炸”遗留下来的热辐射。

微波背景辐射的发现不仅证实了大爆炸理论的正确性，而且也为我们带来了宇宙早期的一些至关重要的信息，其中最主要的就是微波背景中的温度波动，可以让我们知道早期宇宙中的物质分布。那么问题是：微波辐射中的温度波动，也就是冷热点是怎么来的？它和物质分布有何关系？

微波辐射温度波动的来源

1992 年发布的COBE探测器数据不但让大爆炸理论获得胜利，还带给我们一项新的突破：首次确信侦测到大爆炸时期辐射背景的不均匀性。发现了在整个天空平均开氏2.73度的辐射水平中在某些区域微微热一点或冷一点的区域。这些热斑和冷斑足以告诉我们一个严肃的事实：宇宙并不是从完美的均匀状态开始的！

但这并不等于说背景辐射本身是不均匀的，事实上，背景福射在各个方向、所有位置上都十分匀称，大爆炸发生之时，宇宙的任何一部分的内在温度都不比其他部分热一点或冷一点。这种不均匀其实来自某些区域的密度比平均值高一点或低一点。

当然这种密度差并不很大，否则我们今天看到的宇宙大尺度结构会呈现出明显的不对称特点。也正是这个幅度大约只有平均密度 0.003%的偏差，让宇宙的大尺度结构显现为今天的样子，同时让COBE的探测结果体现出了温度的波动。

可是，如何理解在一致的辐射环境中会出现并不完全均匀的密度分布，并造成能量上的热斑或冷斑呢？我们可以把年轻的宇宙中的密度分布想象成一片海面，那里的波浪具有的典型高度是几厘米（同时偶然会有几十厘米的），但是这片海向下有若干千米深的水，在波浪最高的位置上，海水的总深度也只比平均深度多出很少一点，而在波谷的位置上总深度也只比平均深度差一点而已。只要把许多个波峰和波谷处的深度平均一下，就可以得到适用于这片海的标准深度值。

年轻时期的宇宙的密度状况很像这片假想的海，虽然有些区域的密度轻微地超出平均密度，或比起平均密度显得路有不足，但在很宏观的层面（即让密度整体平均之后）看来，其每个面积相仿的局部的密度也相差无几。

那么我们是如何掌握这些很细微的密度差别的呢？

要知道，我们并没有办法直接测得各个方向上宇宙在恒星尚未形成的时期拥有的密度值，我们能做的只是接受来自各个方向的、本身连续一致的辐射。这些辐射从那个仿如海面的历史界面上诞生，其强度所带的微小的峰和谷，指示着那些密度稍高或稍低的区域。

这些辐射自从离开最后的散射界面，其本性就四处皆同了：它们都拥有黑体辐射谱，光子的密度数值也都一样，温度也都精确一致。（当然，从技术层面来说，这些福射本身仍然有着非常非常微弱的差别，特别是在最小尺度上看的时候。但是，只有对这个话题做极深入的学术讨论时，才有必要考虑这些。）尽管辐射的性质如此统一，可那个界面（那个在辐射在成为自由的光子流之前最后与之相互作用过的时间界面）并非光滑完美。

辐射离开该界面（即度过该特定时刻）时，其所处的位置有特定的密度值，这个值是各处不尽相同：大部分区域的物质凝集程度当时仅轻微高于或轻微低于平均值，当然也有很少数的区域的该值与平均值差异略大。

宇南的最初 38万年里，每个光子都以极为惊人的频度与等离子体物质发生碰撞并散射，这种散射直到宇宙中所有原子都中性化之后才终止。光子告别了最后一个与之作用的离子之后，会做一个史诗般的、漫长的直线旅行，它的波长也随着宇宙的膨胀而逐渐拉大。

不过，光子要真正开始穿越宇宙到达我们眼睛的旅行，还需要先完成一项艰巨的任务：从由“最后散射”时的物质创造出的“引力势阱”里逃出来。具体说，光子完成这项任务有以下三种可能的情况：

• 如果光子当时所处的区域的密度属于平均水平，那么光子要逃出的“陷阱”的深度也是平均水平，所以它在这个过程中要通过引力红移丢掉的能量也处于平均数量。其后它穿越宇宙时，它携带的能量是与宇宙中所有光子的平均黑体谱一致的。
• 如果光子当时所处的区域的密度高于平均水平，那么光子要逃出的“陷阱”的深度也会多于平均，它在这个过程中要通过引力红移丢掉的能量也会因此大于平均数量。其后它穿越宇宙时，它携带的能量就会低于宇宙中所有光子的平均黑体谱。
• 如果光子当时所处的区域的密度低于平均水平，那么光子要逃出的“陷阱”的深度也会少于平均，它在这个过程中要通过引力红移丢掉的能量也会因此小于平均数量。其后它穿越宇宙时，它携带的能量就会高于宇宙中所有光子的平均黑体谱。

因此，比如我们在微波背景辐射中观测到一个区域有偏热的温度波动，就可以知道该区域的密度在宇宙年龄约为38万年时是低于整体平均水平的。相反，如果我们观察到某个天区有偏冷的温度波动，就说明这个区域在当时的密度高于整体平均水平。

随着时间轴的进展，密度偏高的区域就更有可能吸引到越来越多的物质，进而更容易出现诸如恒星、星系乃至星系团之类的结构；而密度偏低的区域就越发倾向于成为一片虚空。

COBE探测器是第一个对整个天球进行辐射温度测定的仪器，后续的两个这方面的探测器WMAP和“普朗克”(Planck）则在多个频段上深入观测了这些“冷斑”和“热斑”，并将数据的量角精度提升到了少于0.5°。人类总算得到了一幅关于早期宇宙的温度、密度、均匀程度的精细图像，由此深入掌握了当前宇宙大尺度结构的根源，以及它那以百万年、十亿年为单位的演化，为当今的恒星、星团、星系和各种巨大的星系际空洞找到了历史脉络。