为什么宇宙微波背景辐射图是蛋壳形?如何看待、认识宇宙微波背景辐射
发布时间: 2023-07-18

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为什么宇宙微波背景辐射图是蛋壳形

当我们描绘微波背景的地图时,显示为一个扁平的椭圆形。这与我们天空这个球体有什么关系呢?这张天文学中著名的照片,看起来是下图这样的,简称CMB!其实这个和地图的投影方式有关,我们先看下地球的地图!

将这张图和我们球形天空联系起来确实有点不可思议,虽然看起来很不寻常,但这张照片里确实有整个天空的编码。下面不妨先想一下我们的地球!

地球的地图是如何绘制的,以及不同的投影方法

当我们想象地球时,可能已经习惯了上图这幅地图。这是我们最常见的地球地图样式。但这样的地图表现出来的面积极不准确。我们知道,非洲是南极洲的两倍多,南美洲看起来比俄罗斯要大,澳大利亚是格陵兰岛的三倍多!这是因为地球不是一个二维平面;而是一个球体!

如果我们取一个球体的表面,并将它展开或创建一个平坦的二维表面,会出现一个问题!假如我们拿一个橙子,小心地削皮,然后把皮平铺在平整的表面上。我们会得到下图这样的结果。

将一个球面变成平面,就会发生变形。

如果我们坚持要绘制一幅平面地图,就像我们经常看到的地图那样,用网格状、垂直的纬度和经度线来绘制一幅完全连通的地图,我们就必须牺牲面积的准确性。(这种地图投影被称为墨卡托投影。最上面那个地图。)

如果保留精确的面积和垂直的经纬度线,放弃互相连通,就像上图的古蒂等面积投影(Goode homolosine)。

或者,我们可以做一些妥协,用垂直的纬度/经度保持一个连接的地图,但是压缩纬度比较高的地方,让其更接近相等的区域,就像下图这样。

以上的地图没有一个完全令人满意!想保持垂直的经纬度线、精确的面积区域和完全联通的地图是不可能的;就是因为球体的表面不是平的,而且不可能被精确地放平。这适用于地球地图,当我们仰望天空时也是如此。

微波背景地图的绘制:摩尔威德投影

如果我们想将天空以二维平面形式呈现出来,我们必须牺牲一些东西。现在的问题是我们选择牺牲什么?

因为在天文学中大小或面积非常重要,我们不能牺牲它。保持视觉上的连通性也很重要,因为空间上没有空隙。所以我们最终牺牲了纬度和经度的垂直度,为了保存对我们很重要的因素,我们失去了角度和形状的准确性。其实我们可以用这个方法(通常不会)对地球也绘制出和微波背景一样的地图!

这个特殊的投影被称为摩尔威德投影,现在通过上图再来看看上文中关于地球的三件事:

  • 非洲的面积是南极洲的两倍多,

  • 南美洲实际上比俄罗斯还大
  • 澳大利亚的面积是格陵兰岛的三倍多,

所以我们容易相信这样的投影!这就是我们对全天空2D可视化投影的方法。下图是以银河系为中心的摩尔威德投影!

总结:微波背景就是这样来的

当我们用普朗克宇宙飞船观察光谱中的微波部分时,我们能看到天空中所有的一切来源,包括银河前景、黄道光和尘埃,以及来自大爆炸的原始宇宙辉光。

最后,当我们减去前景星系,“平均”2.725 K黑体温度……

减去CMB偶极子,或者说我们在宇宙中的特殊运动,

我们终于从宇宙微波背景中看到了来自早期宇宙的温度波动!

所以微波背景都是在摩尔威德投影中完成的,这就是为什么天空的地图会以这样形状出现!

如何看待、认识宇宙微波背景辐射图

大爆炸初期,粒子普遍处于电离状态,光子在运动过程不断和粒子相撞,无法自由移动,只有不断改变路径,一段时间后,温度下降,质子电子结合为中子,稳定的原子结构形成,物质密度降低,此时光子解耦,自由射出,这时光子运动产生辐射叫做微波背景辐射。恒星爆炸(超新星爆发)在银河系内都是非常罕见的事情,在宇宙空间内发生的概率微乎其微,试问,发生概率低,在天空中零星出现的爆发为什么360度全方位可观测而且永不停息?如果是恒星辐射,极远处的恒星辐射过于微弱,极难观测,近处的恒星有脉动变星,造父变星,红巨星,蓝巨星,白矮星,如果我们假设天空中大部分恒星都是主序恒星,它们发出的辐射都是均匀的,而当中必然出现变星和巨星,它们的物理性质和主序星不同(从赫罗图中可以看出),它们发出的辐射会使天空中的均匀辐射产生较大波动,不可能各项同性,差异极为微小,更何况主序星也有大小之分,它们发出的辐射强度也有很大的差别,这样天空的辐射能是均匀的吗?还有,宇宙背景辐射叫微波辐射,微波是一种波长较短的无线电波,而恒星发出的电磁辐射主要由可见光,和伽马射线,X射线,红外线,紫外线,带电粒子辐射等高能射线组成,不可能大部分都是微波,而且背景辐射的温度极低,只有3K,试问所有恒星温度都那么低吗?2微波背景辐射不是剖面图,你一定看过地球地图,你会发现这个图也是一个椭圆平面,宇宙在我们的视野中也是一个球面,为什么不能沿经线切一刀,把它展开为平面呢?3微波背景辐射是宇宙诞生几十万年时的辐射,基本代表了可观测宇宙的边缘,用有限无边宇宙模型解释,微波背景辐射存在的区域就是球面里的一小层薄壳,半径差不多就是137亿光年科学家认为3K辐射就是大爆炸残余是因为它能和现有的大爆炸模型相适应,3K辐射的特性和大爆炸模型预言的相一致,人类不了解某种自然现象,只能用模型去解释它。宇宙空间中恒星,黑洞活动形成的射电波和3K波有较大差别,这样的全方位各项同性波不太可能是恒星黑洞产生的,如果说空间每一点都能接受到这种微波,特性又完全相同,又不可能由恒星黑洞中子星产生,这表明他们有共同的起源,既然其性质和大爆炸模型预言相一致,当然就认为是背景辐射,这应该就是一一对应的原因。



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