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歷史

在1974年，美國國家航空航天局（NASA）公告了一個讓天文學(xué)家參與的中小型探險家計劃。由外界獲得了121個提案，其中有三個是研究宇宙微波背景輻射的。雖然這些案子未能被紅外線天文衛(wèi)星（IRAS）所接受，但這三個提案已經(jīng)很清楚的傳達(dá)給美國國家航空航天局一個訊息。在1976年，美國國家航空航天局集合1974年這三個提案團(tuán)隊，重新提出一枚聯(lián)合概念的衛(wèi)星計劃。一年后，這個新團(tuán)隊提出可以由航天飛機(jī)或戴爾他火箭發(fā)射的繞極衛(wèi)星，并稱之為 宇宙背景探測者 。他將攜帶下列的儀器升空：

微差微波輻射計（DMR） –一個測量微波的儀器，能夠描繪出宇宙微波背景輻射微小變動（各向異性）。（主要研究員為喬治·斯穆特。）

遠(yuǎn)紅外線游離光譜儀（FIRAS） –一個分光光度計，用來測量宇宙微波背景輻射。（主要研究員為約翰·馬瑟。）

漫射紅外線背景實(shí)驗(yàn)（DIRBE） –一個多波長紅外線探測器，用來測量塵粒發(fā)射的圖譜。（主要研究員為麥克侯斯。）

美國國家航空航天局在排除了發(fā)射和數(shù)據(jù)分析的費(fèi)用后，在經(jīng)費(fèi)不超過三千萬的條件下接受了這個提案。但由于探險家計劃下的紅外線天文衛(wèi)星經(jīng)費(fèi)超支，使得戈達(dá)德太空飛行中心遲至1981年才開始宇宙背景探測者建造的工作。為了節(jié)省經(jīng)費(fèi)，宇宙背景探測者使用與紅外線天文衛(wèi)星相似的紅外線探測器和液態(tài)氦杜瓦瓶。

宇宙背景探測者起初計劃在1988年由航天飛機(jī)發(fā)射，但是STS-51挑戰(zhàn)者的爆炸導(dǎo)致航天飛機(jī)停飛，而使計劃被延擱。美國國家航空航天局保留了宇宙背景探測者的工程師尋求其他的太空中心來發(fā)射宇宙背景探測者。最后，重新設(shè)計的宇宙背景探測者在1989年11月18日由戴爾他火箭發(fā)射進(jìn)入太陽同步軌道。在1992年4月23日，一個美國的科學(xué)團(tuán)隊宣布，它們從宇宙背景探測者的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了原始的種子：宇宙微波背景輻射的各向異性。這項基礎(chǔ)科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)在世界各地的報導(dǎo)，包括，都占上了頭版頭條。

2006年，服務(wù)于美國國家航空航天局位于麻州綠堤戈達(dá)德太空飛行中心的約翰·馬瑟，和加州柏克萊加州大學(xué)的喬治·斯穆特共同獲得了諾貝爾物理獎，以表彰他們在宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性上的發(fā)現(xiàn)。

太空船

  宇宙背景探測者構(gòu)造圖

這是一枚探險家類型的衛(wèi)星，大量沿用了紅外線天文衛(wèi)星的技術(shù)，但也有本身獨(dú)特的特征。

由于需要控制與測量所有來源和系統(tǒng)的誤差，所以在設(shè)計上必須十分嚴(yán)謹(jǐn)和完整。宇宙背景探測者至少必須工作6個月，并且要抑制大量來自地面的無線電干擾，還有來自其他衛(wèi)星，以及地球、月球和太陽的輻射。 儀器還需要維持穩(wěn)定的溫度和保持增益，還要高度的潔凈以減少來自微塵的散射光和熱發(fā)散。

在測量宇宙微波背景的各向異性現(xiàn)象時，還需要以每分鐘0.8轉(zhuǎn)的速率旋轉(zhuǎn)，以控制系統(tǒng)誤差，與測量在各種不同距角下的黃道塵。 旋轉(zhuǎn)軸也要與軌道速度向量傾斜以防止快中子以超音速撞擊造成的紅外線余暉可能在大氣中沉積氣體造成光學(xué)的殘余。

為了適應(yīng)緩慢自轉(zhuǎn)狀態(tài)和對三軸姿態(tài)的控制，一對復(fù)雜的偏航動量輪被安裝在原來的自轉(zhuǎn)軸的軸線上。 這些輪子所承載的角動量使得整個太空船創(chuàng)造出了零凈角動量的系統(tǒng)。

為了要消除儀器的離散輻射和維持杜瓦瓶和儀器的耐熱性，在忽略掉天空覆蓋面的完整性下，如此的軌道確保這艘太空船能具體的執(zhí)行特殊任務(wù)： 一條高度900公里，傾角99°的圓型太陽同步軌道，可以滿足這些需求，并且可以選擇由航天飛機(jī)（宇宙背景探測者需要有輔助的推力）或戴爾他火箭來發(fā)射。這個高度正好在地球充斥著輻射和帶電粒子的范艾倫輻射帶上方，而升交角的位置選在18:00，使得宇宙背景探測者得以終年處在地球上的日夜交界處的黑暗之中。

這樣的軌道結(jié)合軸的自轉(zhuǎn)，使他在地球和太陽之間能始終在后方以行星當(dāng)盾牌，而經(jīng)歷半年的時間就可以充分的掃描過整個天空。

關(guān)于宇宙背景探測者最后的兩個重要關(guān)鍵是杜瓦瓶和太陽-地球盾。杜瓦瓶是容積650升的致冷器，以超流體的氦來維持遠(yuǎn)紅外線游離光譜儀（FIRAS）和漫射紅外線背景實(shí)驗(yàn)（DIRBE）在任務(wù)進(jìn)行期間所需要的低溫狀態(tài)。他與使用在紅外線天文衛(wèi)星（IRAS）中的設(shè)計是一樣的，能在靠近通訊陣列的地方沿著自轉(zhuǎn)軸釋放出氦氣。圓錐形的太陽-地球盾保護(hù)了儀器免于直接受到太陽和地球輻射的干擾，但也干擾了宇宙背景探測者的傳送天線和地球之間的無線電訊號。多層的絕緣毯子為杜瓦瓶隔離了外來的熱量。

  從宇宙背景探測者采集的數(shù)據(jù)形成了著名的宇宙背景探輻射各向異性地圖。

科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)

科學(xué)任務(wù)由早先提及的三臺儀器執(zhí)行：遠(yuǎn)紅外線游離光譜儀（FIRAS）、漫射紅外線背景實(shí)驗(yàn)（DIRBE）、微差微波輻射計（DMR）。這三臺儀器在有識別能力的頻率上互相重疊，能在測量我們的星系、太陽系、和宇宙微波背景輻射上提供一致性的校驗(yàn)。

宇宙背景探測者的儀器不僅完成了原先期望的探測工作，而且還向外擴(kuò)展了有實(shí)際價值的觀測。

宇宙微波背景輻射的黑體曲線

在宇宙背景探測者醞釀的漫長期間，天文學(xué)有兩項重大的發(fā)展。首先，在1981年，普林斯敦大學(xué)的大衛(wèi)威爾金森和佛羅倫斯大學(xué)的Francesco Melchiorri分別領(lǐng)導(dǎo)的兩個團(tuán)隊，同時宣布他們以氣球攜帶的儀器測出了宇宙背景輻射的四極性，然而，許多其他的實(shí)驗(yàn)試圖復(fù)制它們的結(jié)果，但都無法獲得相同的結(jié)果。這一發(fā)現(xiàn)必須由宇宙背景探測者的遠(yuǎn)紅外線游離光譜儀測量宇宙微波背景輻射的黑體分布。

其次，在1987年，由美國加州大學(xué)柏克萊分校的安德魯蘭格和保羅理查森與日本名古屋大學(xué)的松本俊夫（Toshio Matsumoto）領(lǐng)導(dǎo)的一個美日合作團(tuán)隊宣稱宇宙微波背景輻射不是真實(shí)的黑體。在探空火箭的實(shí)驗(yàn)中，他們查出波長在0.5毫米和0.7毫米的的余暉。這些結(jié)果都對大霹靂理論的正確性提出質(zhì)疑，一般而言，對穩(wěn)態(tài)理論較有幫助和支持性。

這些都成為發(fā)展宇宙背景探測者任務(wù)的背景，科學(xué)家急切的等待遠(yuǎn)紅外線游離光譜儀（FIRAS）的結(jié)果。結(jié)果是令人吃驚的，宇宙微波背景輻射顯示是在理論上溫度為2.7K的一個完美黑體，同時也證實(shí)了柏克萊-名古屋的結(jié)果是錯誤的。

遠(yuǎn)紅外線游離光譜儀在天空中能測量出的是大小7°的區(qū)塊，他的干涉儀覆蓋在2和95 cm 兩個頻道上，分離度是20 cm 。他有兩個掃描長度（長和短）和兩種掃描速度（快和慢），總共可以組合成四種不同的掃描方式；搜集資料的時間長10個月。

宇宙微波背景輻射各向異性的本質(zhì)

微差微波輻射計（DMR）是唯一不需要杜瓦瓶供應(yīng)的氦來冷卻的儀器，所以能耗費(fèi)四年的時間繪制出宇宙微波背景輻射的各向異性圖。通做減除來自銀河的輻射和各種頻率偶極變化的操作，宇宙微波背景的波動是非常微弱的，相較于平均溫度2.73K的輻射只有十萬分之一的變動。宇宙微波背景輻射是大霹靂的殘余，并且波動是早期宇宙密度差異留存的記錄。密度的漣漪造成今日所見的結(jié)構(gòu)型態(tài)：在星系團(tuán)之間是廣大的空間，其中沒有星系的存在（NASA）。

發(fā)現(xiàn)早期的星系

漫射紅外線背景實(shí)驗(yàn)（DIRBE）在紅外線天文衛(wèi)星未曾探勘的區(qū)域內(nèi)新發(fā)現(xiàn)了10個輻射遠(yuǎn)紅外線的星系，還有9個可能是螺旋星系的微弱遠(yuǎn)紅外線星系。

這些星系是在140和240微米的波長偵測到的。這是偵測非常冷塵埃（VCD）的波段，在這些波長上可以得到非常冷塵埃的溫度和質(zhì)量。

當(dāng)這些資料加入了紅外線天文衛(wèi)星的60和100微米的資料后，發(fā)現(xiàn)這些遠(yuǎn)紅外線的光輝與冷塵埃（約17-22 K）和擴(kuò)散的氫游離區(qū)（HⅡ區(qū)）卷云有關(guān)，15至30%來自冷塵埃（約19 K）和分子氣體的組合，少于10%來自較溫暖的塵埃（約29 K）和擴(kuò)散的低密度氫游離區(qū)。

宇宙背景探測者的其他貢獻(xiàn)

除了上述發(fā)現(xiàn)星系的研究，漫射紅外線背景實(shí)驗(yàn)（DIRBE）在科學(xué)上還有兩項意義重大的貢獻(xiàn)。

漫射紅外線背景實(shí)驗(yàn)也能驗(yàn)證行星際塵埃（IPD）的起源，是來自彗星還是小星星的微粒。它在12、25、50和100微米的波長上搜集的資料能斷定行星際塵埃帶和云氣的來源都是源自小行星的顆粒。

漫射紅外線背景實(shí)驗(yàn)的第二個貢獻(xiàn)是從我們的位置看見的銀河盤模型。依據(jù)這個模型，我們的太陽距離銀河核心8,600秒差距，并在盤面的中心平面上方15.6秒差距之處；在徑向和垂直方向上各自有2.64和0.333千秒差距的長度相對于氫原子（HⅠ）層的翹曲。也沒有征兆顯示盤面是厚實(shí)的。

要創(chuàng)造出這個模型，必須先從漫射紅外線背景實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)中減除行星際塵埃。早先從地球上看見了黃道光，認(rèn)為這些云氣在距離數(shù)百萬公里之外，并未以太陽為中心，而認(rèn)為是由木星和土星的萬有引力造成的。

宇宙論的本質(zhì)

除了在上一節(jié)所述的各項科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)結(jié)果外，還有許多宇宙論上的問題是宇宙探測者的結(jié)果不能解答的。在整個的宇宙歷史上，直接測量到的河外背景光（EBL）可能對恒星的形成、金屬和塵埃的產(chǎn)生、和星光被塵埃轉(zhuǎn)化成紅外線輻射都產(chǎn)生了重要的抑制。

經(jīng)由查驗(yàn)遠(yuǎn)紅外線游離光譜儀（FIRAS）和漫射紅外線背景實(shí)驗(yàn)（DIRBE）從140至5,000微米的結(jié)果，我們能發(fā)現(xiàn)河外背景光（EBL）的強(qiáng)度大約是16 nW/(m ·sr)，這與在核合成期間散布的能量一致，并且構(gòu)成在宇宙歷史上形成氦和重金屬時，散布的總能量的20%-50%。只歸咎于核來源，這種強(qiáng)度暗示超過5-15%的重子在大霹靂時已經(jīng)經(jīng)由核合成的程序隱含成為恒星的氦和重元素。

在恒星形成中也有其他的重大涵義。宇宙微波背景輻射的觀測證實(shí)宇宙在恒星形成的速率上有著重大的限制，并且能協(xié)助我們計算在恒星形成歷史上各時期的河外背景光（EBL）光譜。宇宙微波背景輻射的觀測認(rèn)為在紅移 z ≈ 1.5時期的恒星形成率，高于在紫外線波段觀察到，推斷為紅移 z ≈ 2.0的時期。這些超量的恒星能量必然是大質(zhì)量恒星在迄今尚未發(fā)現(xiàn)的，被塵埃包覆在內(nèi)的星系或極端混濁的塵埃區(qū)域之內(nèi)。 恒星形成的確實(shí)歷史不可能由宇宙微波背景輻射的觀測毫不含糊的獲得證實(shí)，因此必須在將來做進(jìn)一步的觀測。

在2001年6月30日，美國國家航空航天局發(fā)射了宇宙背景探測者的微差微波輻射計（DMR）的主要研究員查爾斯L貝內(nèi)特后續(xù)研發(fā)的威爾金森微波各向異性探測器。威爾金森微波各向異性探測器澄清并且擴(kuò)展了在宇宙背景探測者上所獲的的成就。

相關(guān)條目

RELIKT-1 - 前蘇聯(lián)在1983年的宇宙微波背景輻射異向性實(shí)驗(yàn)。

普朗克衛(wèi)星

威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)

參考資料

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