沿著ＣＯＢＥ的軌跡

梁劍才

宇宙是始于一次“大爆炸”嗎?若如此，這一爆炸是什么樣子?它是均勻地膨脹還是脈動(dòng)性地進(jìn)行?星系是如何聚集成形的?這些都是天文界有待解決的最基本問題。20世紀(jì)80年代末，美國航空航天局發(fā)射出一顆天文衛(wèi)星——“宇宙背景探測(cè)者(COBE)”，對(duì)太空進(jìn)行觀測(cè)，尋找并記錄原始大爆炸所留下的遺跡。

COBE繪出宇宙的微波背景和紅外背景。微波背景輻射被認(rèn)為是原始大爆炸的殘跡，它來自空間的各個(gè)方向，幾乎是均勻的，其能量相當(dāng)于27K的溫度。COBE以空前的精度和靈敏性來測(cè)量這一輻射。它還尋找天文學(xué)家所預(yù)言的，但一直未發(fā)現(xiàn)的紅外背景輻射。那是第一批恒星、星系輻射的遺跡。

為何微波背景輻射受到如此重視，它的發(fā)現(xiàn)又被科學(xué)界看做一件大事，這是因?yàn)樗窃加钪娴摹盎?。?dāng)我們回過頭去看宇宙“出生”時(shí)的情況，我們會(huì)看到什么呢?我們能提出一個(gè)t=0的初始時(shí)刻，我們能“預(yù)測(cè)”到所有物質(zhì)在均勻地濃縮到一個(gè)數(shù)學(xué)上無限密的點(diǎn)——奇點(diǎn)上。當(dāng)然，在這種情況下，已知的物理定律已不適用了。按現(xiàn)行的宇宙學(xué)理論，在t=0以后的第3分鐘，質(zhì)子和中子開始合成氦核，其時(shí)的溫度高達(dá)幾十億攝氏度。繼而，整個(gè)宇宙約有1／4為氦所占有。這些理論與目前對(duì)恒星和太陽的觀測(cè)吻合得很好，但是這一論點(diǎn)僅適用于強(qiáng)子的物質(zhì)形式，而不適用于占宇宙物質(zhì)90％的暗物質(zhì)。我們現(xiàn)在觀測(cè)到遙遠(yuǎn)的星系正在相互遠(yuǎn)離，所有的星系都是爆炸中的一部分，因而推測(cè)爆炸出現(xiàn)在約150億年之前，但無法定出爆炸中心的位置，因?yàn)樵瓉頉]有中心。當(dāng)時(shí)空本身處在膨脹之中，任何東西都在相互離開。微波背景輻射充滿在整個(gè)熱爆炸宇宙之中，它隨著宇宙的膨脹而冷卻，這樣它就能為我們提供宇宙極早期的信息。

COBE的另一個(gè)重要探測(cè)任務(wù)，是去尋找理論所預(yù)言的一系列天文事件。

在年青的熱宇宙中，自由帶電粒子(特別是電子)產(chǎn)生輻射。這一輻射事件始于大爆炸的第一年，因?yàn)楫?dāng)時(shí)這些帶電粒子能量很高，它們不斷地漏出能量以創(chuàng)生光子。宇宙背景輻射中的光子數(shù)量就是在那個(gè)時(shí)期確定下來的，以后幾乎沒有變化。第二個(gè)事件發(fā)生在物質(zhì)粒子間開始碰撞約1000年之后，這是指物質(zhì)不再嚴(yán)重地影響輻射的波長(zhǎng)，因?yàn)榇藭r(shí)輻射已變?nèi)?和以前相比)。第三個(gè)事件發(fā)生在大爆炸后約50萬年，物質(zhì)已變冷，電子已難于維系在核的周圍而形成質(zhì)子。在此事件后，電子就不再與光子相碰撞，宇宙對(duì)于輻射來說，一下子變得透明了，這就像霧突然被蒸發(fā)掉一樣。

但科學(xué)家迄今尚未探測(cè)到那個(gè)時(shí)期物質(zhì)與背景輻射相互作用的直接證據(jù)。實(shí)際上當(dāng)時(shí)輻射很強(qiáng)烈，它控制著極大部分物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)及溫度。按理論來說，應(yīng)該在輻射背景上看到這些痕跡，故人們期待COBE探測(cè)到那些事件的痕跡。若宇宙并非如我們所想像的那樣簡(jiǎn)單、平滑、均勻。譬如，若騷動(dòng)的能量被釋放，或者原始黑洞確實(shí)存在，那么COBE就有可能“看”到它們，因?yàn)樗鼈儗⑻岣呶镔|(zhì)的溫度，并改變背景輻射的波譜。

COBE將詳細(xì)地研究宇宙背景輻射，它精確地測(cè)定其波長(zhǎng)，測(cè)出不同方向上輻射強(qiáng)度的微小差異，因?yàn)檎沁@些微小差異中隱含著新的物理現(xiàn)象。我們目前觀察到，宇宙物質(zhì)集聚有一個(gè)等級(jí)式的模式，從微觀的星塵埃到直徑上億光年的超星系團(tuán)，可是我們并不太清楚它的形成過程。COBE將去尋找這個(gè)答案。天文學(xué)家推測(cè)，星系大概是在爆炸后的200萬年的那個(gè)時(shí)期形成的，在這一形成過程中又出現(xiàn)巨大的爆炸，但卻一直未觀測(cè)到這種爆炸所產(chǎn)生的輻射。COBE將探測(cè)這種輻射，并記錄它的光子能量。

COBE擁有一系列現(xiàn)代最新技術(shù)武裝起來的觀測(cè)手段。為了阻止來自太陽的干擾，所有儀器都裝在一個(gè)錐形罩中。對(duì)紅外探測(cè)儀器更是小心翼翼，把它置于真空絕熱的容器中，用600千克的液氦，使其保持在近乎絕對(duì)零度的環(huán)境中。

這顆衛(wèi)星運(yùn)行于900千米高的上空，它的飛行軌道只經(jīng)過地球的微明區(qū)上空，從北極走向南極，這樣可將太陽、地球的強(qiáng)光和強(qiáng)熱的影響縮小到最低限度。這一軌道還將使COBE上的儀器一直保持著向“上”看的姿態(tài)，并使自己免受陽光的直射。900千米的高度是恰到好處的，這使得衛(wèi)星既免遭地球大氣的干擾，又逃出高空輻射區(qū)的質(zhì)子、電子襲擊。

飛船本身的設(shè)計(jì)也不一般。它是第一顆沿著一根不固定線旋轉(zhuǎn)運(yùn)行的衛(wèi)星，它的旋轉(zhuǎn)軸線會(huì)經(jīng)常變動(dòng)，以使它保持向上“看”的狀態(tài)。衛(wèi)星收集和存儲(chǔ)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，然后再發(fā)回地面，地面站可通過中繼衛(wèi)星系統(tǒng)向COBE發(fā)號(hào)施令。

飛船最主要的儀器有三臺(tái)。它們可測(cè)量1微米到1厘米波段的所有輻射，它們是：

微分微波輻射計(jì) 該輻射計(jì)將在三個(gè)波長(zhǎng)(35毫米、57毫米、96毫米)上繪出天圖，以測(cè)定早期宇宙到處都是相同的密度和溫度。它能以7°的分辨率找出1000個(gè)離散源。它工作在較短的波長(zhǎng)上，可把來自銀河的干擾(波長(zhǎng)較長(zhǎng))壓到最低限度。由于它在三個(gè)特定的波長(zhǎng)上測(cè)量，因此能把背景輻射與銀河的輻射區(qū)分開來。它還備有自己的校正儀，其誤差僅1％。它的天線也是特別的，能很好地避開不感興趣的天體的干擾。這臺(tái)輻射計(jì)是如此敏感，它能辨出兩個(gè)很暗的亮點(diǎn)，只要它們的亮度高于宇宙背景輻射001％即可。

遠(yuǎn)紅外分光光度計(jì) 這臺(tái)儀器是用來測(cè)定宇宙背景輻射的波譜(所有各個(gè)波長(zhǎng)上的強(qiáng)度)，從中可看出宇宙是否出于一個(gè)簡(jiǎn)單的爆炸。它保持在極低(2K)的溫度中，以將其本身的輻射縮減到最??；否則，由于它的高靈敏度，它將受到自身的干擾。它所獲得的數(shù)據(jù)要比過去同類實(shí)驗(yàn)精確100倍。

這臺(tái)光度計(jì)也和上述的輻射計(jì)一樣，在它觀測(cè)天空時(shí)，以7°的分辨率把觀測(cè)區(qū)域分成1000個(gè)小單元。當(dāng)輻射通過儀器時(shí)，就被其內(nèi)附的輻射測(cè)量計(jì)(一種微小而靈敏的測(cè)熱計(jì))所測(cè)定。其靈敏度之高，可測(cè)出百億分之一卡的熱能，相當(dāng)于從美國紐約的一只燈泡發(fā)出的，被在華盛頓的一枚郵票上接收到的熱量。

彌散紅外背景輻射的探測(cè)儀 這一儀器要探測(cè)的是第一批恒星所輻射出的熱量。它測(cè)量的是集體性的幾百萬顆星體的閃爍，而不是放大單個(gè)天體的光。它用10個(gè)濾波器以供選擇不同的波長(zhǎng)，天文學(xué)家期望該儀器能在某些方面改進(jìn)“紅外天文衛(wèi)星”過去所做的測(cè)量。它覆蓋較寬的波段，能把均勻的亮天區(qū)與暗天區(qū)分開來。它可在1微米～3微米的波長(zhǎng)上測(cè)定輻射的極化現(xiàn)象。它可在不受太陽影響的情況下，具有一個(gè)很寬的掃描角度。

COBE的觀測(cè)最終將在100個(gè)波長(zhǎng)上繪出一幅完整的天圖。天圖不僅展現(xiàn)出宇宙現(xiàn)在的模樣，還將顯示出自大爆炸后一年以來所發(fā)生的事件跡象。天文學(xué)家將用它來確定宇宙是否旋轉(zhuǎn)，這是目前天文界頗有爭(zhēng)論的一個(gè)問題。宇宙是否均勻膨脹?何時(shí)形成第一批恒星和星系?它們又是如何集聚成團(tuán)?為此，天圖還將表示出河內(nèi)恒星、星際空間和行星際空間的塵埃云的位置。