12 宇宙微波背景辐射的来源
归纳宇宙微波背景辐射特征:
- 利用传统的光学望远镜,恒星和星系之间的空间(背景)是一片漆黑.然而,利用灵敏的辐射望远镜可发现微弱的背景辉光,且在各个方向上几乎一模一样,与任何恒星,星系或其他对象都毫无关系.
- 它在一个相当宽的波段范围内良好地符合黑体辐射谱,对应温度大约为2.7K(近似为3K).
- 宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射.
- 罗伯特·迪克(Robert Dicke)建议将其解释为宇宙微波背景辐射(CMB),即大爆炸的黑体辐射残留.空间膨胀导致宇宙诞生之初高温的黑体辐射波长变长,变成今天的2.7K黑体辐射谱.
- 根据普朗克卫星的观测结果,依据CBM偶极异向性得出太阳系在宇宙中的运动速度约为369.82±0.11 km/s,但这个速度与太阳系绕行银河系核的速度239±5 km/s方向大致相反,这代表银河系核在宇宙中的速度,约为565±5 km/s.[34] 74
第一步 把罗伯特·迪克的解释视作假命题,因为这个解释包含了空间膨胀的假说.假如空间是膨胀的,那么100亿光年外的星系发出的光到达地球,在这100亿年内,空间的尺度相对于100亿年前光线出发时刻的空间是变化的.在光线100亿年的旅途中,经历了不同尺度的空间,光速在不同的尺度的空间会变化吗?如果光速是不变的,是相对于正在旅途中的空间尺度,还是出发时候的空间尺度?如果光速随着时间变化,那么光速这个宇宙常数会变化,Ia型超新星爆发对应的钱德拉塞卡极限就会变化,超新星宇宙学调查就会因为光速的变化而变得不准确,宇宙加速膨胀变得不易确认.光速的变化同样会影响量子力学领域,氢原子的氢原子光谱就会变化.那么基于氢原子的吸收发射光谱特征的宇宙红移基准就会发生变化.宇宙学红移将失去稳固不变的比较基准而不准确.空间、时间都是相对的、可变的,光速也是可变的,那么什么是不变的呢?什么物理量可以作为参照的标准的呢?
第二步 宇宙微波背景辐射非常符合黑体辐射特征,排除宇宙大爆炸奇点的高温黑体辐射,不排除其他可能性,看起来最有可能成立的解释是,宇宙微波背景辐射是现存宇宙中某种低温物体的黑体辐射.
第三步 确定是黑体辐射.天文观察得出,恒星和星系之间的空间(背景)虽然是一片漆黑,也存在微波背景辐射,它与任何恒星,星系或其他对象都毫无关系.黑体辐射并不是来自恒星和星系.
第四步 既然黑体辐射不是来自恒星、星系,那么与恒星、星系分布密切相关的暗物质晕也不是黑体辐射的来源.
第五步 宇宙微波背景辐射相对于银河系存在565±5 km/s相对速度,说明宇宙背景辐射不是来自银河系内部的任何物质、暗物质.根据哈勃定律,离我们越远的星系,退行速度越快,大致成各向同性.这意味着远处的星系像膨胀的气球离我们远去.既然各方向的速度均匀,那么如果来自远处星系的低温黑体辐射,到达太阳系,就不会存在与银河系的相对速度.(更为严谨的说法是,假如宇宙微波背景辐射来自远处的星系,那么CBM偶极异向性对应的速度,排除了太阳系相对于沙普利超星系团中心和巨引源附近的本动速度后,应该等于0.因为目前尚未获得前面提到的本动速度精确值,不能得出沙普利超星系团中心和巨引源相对于微波背景辐射参考系的速度是否等于0.即使天文学上进行精确测量这个本动速度也存在不小的困难,这一步的观点,目前只能作为宇宙微波背景辐射不是来自远处的星系可能的理由,而不能作为充分的理由.)
第六步 既然这个宇宙微波背景辐射不是来自银河系的物质、暗物质,也不是来自远处的星系的物质、暗物质,那来自哪里呢?
以太(Luminiferous aether,ether)原本是古希腊哲学家亚里士多德(Aristotle)所设想的一种物质,为五种古典元素之一.
亚里士多德认为世界由五大元素构成:
土:又冷又干.
水:又冷又湿.
火:又热又干.
气:又热又湿.
以太:天球和星体(恒星和行星)的实体,纯粹而神圣.75 [35]
19世纪的物理学家,认为它是一种曾被假想的电磁波的传播介质76.但后来的实验和理论表明,如果不假定"以太"的存在,很多物理现象可以有更为简单的解释.也就是说,没有任何观测证据表明以太存在,因此以太理论被科学界抛弃.77
1887年迈克尔逊-莫雷实验(Michelson-Morley experiment)的负面结果表明以太不存在,这一发现在1920年代的后续实验中得到证实.这导致了大量的理论工作来解释光在没有以太的情况下的传播.一个重大突破是相对论,它可以解释为什么实验未能看到以太,但更广泛地解释为表明不需要它.迈克尔逊-莫雷实验与黑体辐射和光电效应一起,是现代物理学发展的关键实验,涵盖了相对论和量子力学,后者解释了光的粒子性质.78
第七步 迈克尔逊-莫雷实验只是证明光在不同的惯性参考系传播速度相同,不能证明光的传播不需要介质.最起码光的传播需要空间吧.人们日常生活经验知道,声波需要空气作为传播介质,水波需要水作为传播介质.这里把代表绝对空间参考系的以太提出来,这个被科学界抛弃的,认为无法看到的对象,刚好满足宇宙微波背景辐射这个低温黑体辐射的来源特征.以太就是空间本身,银河系在空间中穿梭,有相对于空间的速度可以解释偶极异向性的来源.
第八步 前面的假设提到,物质与暗物质诞生于虚无,暗物质没有电磁场,不会发射负光子.假如物质诞生之初伴随着一定的温度,这个温度代表一定能量.在总二阶能量为0的前提下,可以提供这种实数的热能.与这个实数的热能构成二阶能量守恒的量,可以是暗物质超过物质比例的虚数质量对应的能量,也可以是暗物质自带的虚数的热能.空间本身是不动的,星系、恒星、星际物质都会相对于空间运动.以太中凭空产生物质暗物质虚粒子对,物质粒子伴随着一定的低温.刚刚诞生的低温物质粒子源于空间一点,假设这个低温物质粒子运动方向是随机的,速度大小在一定范围内.来自四面八方的低温物质粒子的黑体辐射宏观上组成一个整体,这个整体与太阳系的相对速度,对应太阳系与空间本身的相对速度.
以太各点的位置 $≡$ 空间各点的位置 $≅$ 刚刚诞生的低温物质粒子的位置 $≡$ 宇宙微波背景辐射发射点的位置
既然宇宙微波背景辐射的偶极异向性可以求解银河系相对于空间的速度,那么可不可以求解银河系在宇宙膨胀中对应的速度呢?
当然可以.前面提到银河系核在宇宙中的速度565±5 km/s指的是银河系以以太为绝对参考系,银河系相对于以太的运动速度.这个速度必然包含银河系在宇宙膨胀中的膨胀速度.普朗克卫星2018年的数据报告[34]包含的信息可以给出一些提示.数据如下:
表13 与CMB偶极异向性、银河系中心、本星系群相关的速度 来源:[34]
Table 13 Velocities associated with CMB dipole anisotropy, the Galactic Center, and the Local Group Source: [34]
| Relative velocity | Speed [km/s] | l [deg] | b [deg] |
| Sun-CMB | 369.82±0.11 | 264.021±0.011 | 48.253±0.005 |
| Sun-LSR | 17.9±2.0 | 48±7 | 23±4 |
| LSR-GC | 239±5 | 90 | 0 |
| GC-CMB | 565±5 | 265.76±0.20 | 28.38±0.28 |
| Sun-LG | 299±15 | 98.4±3.6 | -5.9±3.0 |
| LG-CMB | 620±15 | 271.9±2.0 | 29.6±1.4 |
下面开始绘制普朗克卫星数据报告中本星系群速度和银河系速度矢量关系图.
$v_\mathrm{LG - CMB}$ 本星系群相对于以太的运动速度
$v_\mathrm{GC - CMB}$ 银河系相对于以太的运动速度
$v_\mathrm{LG - GC}$ 本星系群相对于银河系的运动速度
在球坐标系中,求解$v_\mathrm{LG - CMB}$与$v_\mathrm{GC - CMB}$的夹角和$v_\mathrm{LG - GC}$的大小.
使用${}^{\circ}$表示1度的弧度.
| $\begin{equation}\begin{aligned} \mathrm{FullSimplify} [ & \mathrm{VectorAngle}[\mathrm{FromSphericalCoordinates}[\{1,\theta 1,\phi 1\}], \\ &\mathrm{FromSphericalCoordinates}[\{1,\theta 2,\phi 2\}]],\{\theta 1>0,\phi 1>0,\theta 2>0,\phi 2>0\}]\end{aligned}\end{equation}$ |
| $\mathrm{ArcCos} [\mathrm{Sin} [\theta 1] \mathrm{Sin} [\theta 2] \mathrm{Cos} [\phi 1-\phi 2]+\mathrm{Cos} [\theta 1] \mathrm{Cos} [\theta 2]]$ |
| $\begin{equation}\begin{aligned}{\mathrm{ArcCos} [ \mathrm{Sin} [\theta 1 {}^{\circ}] \mathrm{Sin} [\theta 2 {}^{\circ}] \mathrm{Cos} [ (\phi 1-\phi 2) {}^{\circ} ]+\mathrm{Cos} [\theta 1 {}^{\circ}] \mathrm{Cos} [\theta 2 {}^{\circ}] ] } / {{}^{\circ}} \\ /.\, \{\theta 1\to 28.38,\phi 1\to 265.76,\theta 2\to 29.6,\phi 2\to 271.9\}\end{aligned}\end{equation}$ |
| $3.2146$ |
| $\sqrt{b^2-2 b c \mathrm{Cos} [x {}^{\circ}]+c^2}/.\, \{b\to 565,c\to 620,x\to \%\}$ |
| $64.2448$ |
图48 本星系群速度和银河系速度矢量关系图
Figure 48 Diagram of the relationship between the velocity of the Local Group and the velocity of the Milky Way
巨引源(Great Attractor)指的是位于拉尼亚凯亚超星系团中心的长蛇-半人马座超星系团附近的引力异常处,一个相当于数万个银河系质量的引力中心,距离地球1.5亿至2.5亿光年.大约几亿光年外的包括本星系群(The Local Group)和室女座星系团成员在内数百万个星系都受到它的影响.所有这些星系都发生红移,依据哈勃定律显示它们之间以及地球都在相互远离,红移量和哈勃定律预测值的差异(即本动速度)揭示了巨引源的存在.它们以630 km/s的速度朝向银河坐标$l = 268°, b = 27°$运动.79 [36]
尽管狭义相对论指出,在空间中没有"首选"的惯性参照系可以与银河系进行比较,但相对于宇宙学参照系,银河系确实有一个速度.其中一个参照系是哈勃流,即星系团由于空间膨胀而产生的明显运动.单个星系,包括银河系,相对于平均流而言,具有特殊的速度.因此,为了将银河系与哈勃流进行比较,我们必须考虑一个足够大的体积,使宇宙的膨胀在局部的随机运动中占主导地位.74天文学家认为,相对于这个局部共同运动的参照系,银河系的运动速度大约为630km/s.80 81银河系正朝着巨引源(Great Attractor)和其他星系团的大方向运动,包括它后面的沙普利超星系团(Shapley super cluster).[37]本星系群(The Local Group),一个由引力束缚的星系组成的星系团,其中包括银河系和仙女座星系,是一个叫做室女座超星系团(Virgo Supercluster)的超星系团的一部分,其中心在室女座星系团附近.另一个参考框架是由宇宙微波背景(CMB)提供的.银河系相对于CMB的光子以565±5 km/s的速度运动,朝向靠近长蛇座中心的区域.这种运动被宇宙背景探测器(COBE)和威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)等卫星观测到,作为对CMB的偶极子贡献,因为在CMB框架内处于平衡状态的光子在运动方向上被蓝移,在相反的方向上被红移.74 [34]
本星系群 $\subset$ 室女超星系团82
室女超星系团 $\subset$ 拉尼亚凯亚超星系团83
拉尼亚凯亚超星系团的重力中心是巨引源.84
对偶极子各向异性的分析表明,太阳相对于本星系群共同运动参照系的速度约为369.82±0.11 km/s.如果考虑到太阳围绕银河系的运动以及银河系相对于本星系群的运动,就会发现本星系群相对于本星系群共动参照系的速度约为630km/s.[38] [34]
巨引源本身正在向沙普利超星系团移动.85
沙普利超星系团非常接近本星系群(包括我们的星系)相对于宇宙微波背景(CMB)参考系的移动方向.这导致许多人推测,沙普利超星系团确实可能是我们银河系本动速度(哈勃定律无法解释或消除的星系退行速度的成分)的主要原因之一——巨引源可能是另一个原因——并引发了对这个超星系团的兴趣激增.已经发现,巨引源和我们宇宙区域中的所有星系(包括我们所在的星系银河系)都在向沙普利超星系团移动.86
CMB $\equiv$ Cosmic microwave background $\equiv$ 宇宙微波背景辐射
GC $\equiv$ Galactic Center $\equiv$ 银河系中心
LG $\equiv$ Local Group $\equiv$ 本星系群
VS $\equiv$ Virgo Supercluster $\equiv$ 室女超星系团
LS $\equiv$ Laniakea Supercluster $\equiv$ 拉尼亚凯亚超星系团
SP $\equiv$ Shapley super cluster $\equiv$ 沙普利超星系团
根据前文的归纳:
太阳系 $\subset$ 银河系 $\subset$ 本星系群 $\subset$ 室女超星系团 $\subset$ 拉尼亚凯亚超星系团 $\subset$ 沙普利超星系团为中心更大的星系团
上面的包含关系有6级,假设在可观测宇宙的宇宙膨胀模型中,6级是我们太阳系从属关系的最高级.假设沙普利超星系团为中心更大的星系团是一个独立的整体,与其他绝大部分星系团互相远离,并没有向一个中心聚集或环绕的运动.那么沙普利超星系团中心相对于以太的速度就可以视为银河系在宇宙膨胀中的速度.
在测得太阳相对以太的速度和各级的相对速度后,就可以通过速度矢量叠加求得沙普利超星系团中心相对于以太的速度,这个就是银河系所在位置的宇宙膨胀速度.普朗克卫星数据报告有去除偶极异向性的图像,必然减去了一个相对于沙普利超星系团中心和巨引源附近的本动速度.目前尚没有找到这个本动速度的具体数值.
$v_\mathrm{SP - CMB} = v_\mathrm{Sun - CMB} + v_\mathrm{GC - Sun} + v_\mathrm{L G - GC} + v_\mathrm{VS - L G} + v_\mathrm{LS - VS} + v_\mathrm{SP - L S}$