宇宙的密码——宇宙大爆炸(5)

宇宙的密码——宇宙大爆炸

20世纪80年代，几个研究小组分别测量了几千个星系的红移。其中影响最大的是哈佛－史密思天体物理中心的观测。这些观测揭示了星系的三维空间分布（图8）。

（8）从星系的分布示意图看，星系的分布不是完全均匀的

星系结构的不均匀分布，导致宇宙空间呈现一种大尺度的结构状态。这一点，尤其在河外星系表现得非常明显。河外星系的空间尺度之大，经常要以10亿光年来计算。那么，这些大尺度结构又是怎样形成的呢？

美国的皮伯斯和前苏联的泽尔多维奇等人认为，早期宇宙中，物质密度可能存在一些非常微小的不均匀性，它们在引力的作用下逐渐成长为星系、星系团、以及更大尺度的结构。如果是这样，宇宙早期的背景辐射必须在各方向上有一些微小的起伏，天文学家称之为各向异性。而探测宇宙微波背景辐射中的各向异性，是COBE卫星的另一个重要任务。

这个任务，落到了美国伯克利大学教授——乔治·斯穆特的肩上。乔治·斯穆特是一位宇宙学家，他认为，这项工作是一个大的挑战。如果能找出宇宙微波背景辐射在不同方向上的微小变化，宇宙形成及扩张的秘密，将进一步解开。

斯穆特用一个类似普林斯顿大学使用过的定向号角天线，开始了一系列试验。他希望做出一张详细的地图来标出大爆炸残留的遗迹，并勾画出银河及宇宙的结构。随后，斯穆特和他的小组，研制出了一套能消除包括地球大气层干扰在内的，具备高灵敏度的仪器。为了把这样精密的仪器带出大气层，他们最早尝试使用充氦的气球。但是气球很不可靠，而且容易受风的影响改变方向。他们又选择改用U2飞机，但很快发现飞机不能像气球那样停留在同一个位置，再加上燃料的限制，使用飞机的计划也只好放弃。

他们发现，最好的选择是使用人造卫星。因为人造卫星完全在地球大气层之外工作，又可以停留在地球同步轨道的任何位置上，既具有必要的稳定性，又不用担心来自大气层的干扰。

几年之后，美国太空总署给了斯穆特机会，这就是COBE卫星。COBE卫星升空不久，就发回来了准确的观测数据。在第一天快要结束的时候，斯穆特教授得到了一张清晰度前所未见的宇宙照片。他和他的小组花了一整年的时间，收集了3亿个观测数据，用计算机绘制出了一张宇宙微波背景辐射的图像，斯穆特将它称之为“宇宙蛋”。

这个宇宙蛋所显示的，是大爆炸结束时宇宙的图像（图9），粉红和蓝色的区域分别表示温度的变化。宇宙微波背景辐射是非常均匀的，但是如果我们去掉均匀的背景，就可以看到各向异性。红色代表温度较高的区域，蓝色代表温度较低的区域。在这幅图中，我们看到，由于地球相对于宇宙微波背景辐射的运动，多普勒效应导致一边温度更高，这里用红色表示。我们再除去地球的运动。中间的红色带是由于银河系辐射的污染。再去掉这一块，剩下的就是宇宙微波背景辐射的“皱纹”。形成星系所不可缺少的，大爆炸后存留于宇宙不同方向上的，温度细微变化的证据被找到了。