从哈勃到哈勃深空场（七）—大爆炸与威尔金森微波背景辐射探测器

本期为从哈勃到哈勃深空场第七篇，上一篇为：《从哈勃到哈勃深空场（六）—曙光前的噩梦》

宇宙大爆炸时间线

大爆炸模型向人们提供了自大爆炸开始后百万分之秒直到今天的演化过程。在宇宙极早期，大爆炸开始时距今约137亿年前，此时宇宙体积极小，密度几乎为原子核的密度，温度极高温度，达100亿度以上，这时的宇宙为一个奇点。

宇宙大爆炸后的10-43秒温度达到1032度，此后宇宙从量子涨落背景中出现。大爆炸后10-35秒，宇宙温度约1027度，引力分离，夸克、玻色子、轻子开始形成。大爆炸后5-10秒，宇宙温度降低到约1015度，此时质子和中子形成。上图是一位艺术家展示的不同量子涨落产生的“气泡宇宙”，图片由国家地理提供

大爆炸后0.01秒：约1000亿度，物质以光子、电子、中微子为主，其中质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，此后温度和密度仍然不断下降。大爆炸0.1秒后，宇宙膨胀使得温度降到约300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。

大爆炸1秒后，宇宙温度降到约100亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。大爆炸后13.8秒后：约30亿度，氢、氦类稳定原子核（化学元素）形成。

大爆炸后35分钟后，宇宙温度约3亿度，原初核反应过程停止，尚不能形成中性原子。中性原子的形成要等到大爆炸30万年后，此时宇宙温度降低到了3000度左右，此时化学结合作用使宇宙中的物质由电离状态转化成中性原子的状态，中性原子开始形成。

宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至形成恒星和恒星系统。

大爆炸宇宙模型（The Big Bang）中, 在宇宙年龄约30万年的时候，宇宙中的物质由电离状态转化成中性原子的状态，宇宙中的光子组分与实物退耦而变成微波背景辐射（CMB）。

对于给定的宇宙模型，物理学家们可以精确的计算出CMB各向异性的功率谱，它是与宇宙模型的基本参数有关的，因而通过精确的测量宽角度范围的CMB功率谱，可以确定出各种宇宙模型的基本参数，判断哪些宇宙的模型更好的描述着我们的宇宙，而通过这些基本参数，我们可以知道许多宇宙学中的基本问题，比如空间的几何、宇宙中的物质组分、大尺度结构的形成和宇宙的电离历史等。

上期（从哈勃到哈勃深空场（六）—曙光前的噩梦）讲到1992年，NASA的COBE卫星观测表明CMB是我们可以在自然界测到的最完美的黑体辐射谱，并且第一次给出了CMB各项异性的证据。但由于当时技术的限制，COBE的角分辨率只有7度。

威尔金森微波背景辐射探测器
2001年6月30日，在佛罗里达州的卡纳维拉尔角，德尔塔Ⅱ7425-10型火箭托举着新的宇宙微波探测器升空

这颗名为威尔金森的各向异性探测器(WMAP)被德尔塔Ⅱ7425-10发射到第二拉格朗日点上，这是距离地球150万公里远的、太阳与地球的引力平衡点。特殊的位置使威尔金森探测器永远躲在地球背影之中

卫星的主体是一对1.4米×1.6米(4.6英尺×5.2英尺)背靠背的望远镜，它们能够从天空相距约140°的两点收集微波辐射并直接传入光学器件下面的10个接收器。

探测器以宇宙背景辐射的先躯研究者大卫·威尔金森命名，搭载两台差比微波辐射仪

威尔金森宇宙微波探测器模型

WMAP是第一个从L2轨道运行的飞行器。它被放在一个高度椭圆的驻留轨道，然后使用自己的助推器并借助月球重力进行机动飞行。月球借力飞行发生在2001年7月30日，10月1日WMAP到达L2拉格朗日点上的大李萨如轨道，距离地球150万公里(932000英里)。每6个月WMAP进行一次全天扫描。WMAP对整个天空的每一次观测需要6个月的时间。WMAP绕L2轨道运行一周需要六个月，卫星还可以在每三个月左右获得一次机动变轨的机会。

上面轨道图显示了WMAP在六个月内从整个天空收集数据的过程。因为WMAP必须始终远离太阳（确保微波辐射观测不受太阳直射影响），所以它不能看到天空的所有部分，直到它以与地球以一样的速度围绕太阳旋转。

WMAP测到的全天的各向异性数据，要传送回地球，经过复杂的数据校准和数据处理后，就像地图（map）一样，我们可以用这些数据绘制一幅关于全天辐射各向异性的图（map），图（map）上任一点记载着对应的天空方向的温度涨落。

该图（map）用Molleweide投影的方法绘出，该方法把全天的各项异性信息映射到一个2:1的椭圆上，保持水平线是直线，子午线除中间一条外都是椭圆弧，并保持相邻的平行线和子午线所包络的面积不变。

彭齐亚斯和威尔逊制造的号角型射电望远镜观测到的宇宙微波背景辐射在各个方向都毫无差异地惊人一致——3K，背景辐射呈现惊人的各项同性。COBE探测到的宇宙微波背景辐射呈现着微弱的各项异性，但是COBE角分辨率只有7度。而ＷMAP的角分辨率达到了惊人的13分，这使得微波背景辐射的观测精度大为提高。

它的使命完成后，NASA已经命令飞行器进入围绕太阳的永久性“死亡轨道”，于9月8日丢弃了推进器。

WMAP，历经九年时间扫描和识别太空中宇宙微波背景辐射温度的微小差异，绘制出宇宙在137亿年历史中的变化地图，彻底改变了我们对宇宙的看法。WMAP是在2001年6月30日发射升空，它测量出至今最精确的宇宙年龄137.5亿年，确定宇宙的组成是4.6%的一般的重子物质，23%的暗物质，72%的暗能量。