宇宙微波背景輻射(又稱3K背景輻射)是一種充滿整個宇宙的電磁輻射。特徵和絕對溫標2.725K的黑體輻射相同。頻率屬於微波範圍。
預測
1934年，Tolman是第一個研究有關宇宙背景輻射的人。他發現在宇宙中輻射溫度的演化裡溫度會隨著時間演化而改變;而光子的頻率隨時間演化(即宇宙學紅移)也會有所不同。但是當兩者一起考慮時，也就是討論光譜時(是頻率與溫度的函數)兩者的變化會抵銷掉，也就是黑體輻射的形式會保留下來。
1948年，美國物理學家伽莫夫、拉爾夫·阿爾菲和羅伯特·赫爾曼估算出，如果宇宙最初的溫度約為十億度，則會殘留有約5~10k 的黑體輻射。然而這個工作並沒有引起重視。
1964年，蘇聯的澤爾多維奇、英國的霍伊爾、泰勒(Tayler)、美國的皮伯斯(Peebles)等人的研究預言，宇宙應當殘留有溫度為幾開的背景輻射，並且在釐米波段上應該是可以觀測到的，從而重新引起了學術界對背景輻射的重視。美國的狄克(Dicke)、勞爾(Roll)、威爾金森(Wilkinson)等人也開始著手製造一種低噪聲的天線來探測這種輻射，然而另外兩個美國人無意中先於他們發現了背景輻射。
發現
本圖並列了研究本現象不同時期的設備與成果。由上往下依序是彭齊亞斯和威爾遜時期，COBE時期和WMAP時期1964年，美國貝爾實驗室的工程師阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜架設了一臺喇叭形狀的天線，用以接受“回聲”衛星的信號。為了檢測這臺天線的噪音性能，他們將天線對準天空方向進行測量。他們發現，在波長為7.35cm的地方一直有一個各向同性的訊號存在，這個信號既沒有周日的變化，也沒有季節的變化，因而可以判定與地球的公轉和自轉無關。
起初他們懷疑這個信號來源於天線系統本身。1965年初，他們對天線進行了徹底檢查，清除了天線上的鴿子窩和鳥糞，然而噪聲仍然存在。於是他們在《天體物理學報》上以《在4080兆赫上額外天線溫度的測量》為題發表論文正式宣佈了這個發現。
緊接著狄克、皮伯斯、勞爾和威爾金森在同一雜誌上以《宇宙黑體輻射》為標題發表了一篇論文，對這個發現給出了正確的解釋:即這個額外的輻射就是宇宙微波背景輻射。這個黑體輻射對應到一個3k的溫度。之後在觀測其他波長的背景輻射推斷出溫度約為2.7K。
宇宙背景輻射的發現在近代天文學上具有非常重要的意義，它給了大爆炸理論一個有力的證據，並且與類星體、脈衝星、星際有機分子一道，並稱為20世紀60年代天文學“四大發現”。彭齊亞斯和威爾遜也因發現了宇宙微波背景輻射而獲得1978年的諾貝爾物理學獎。
進一步的研究
後來人們在不同波段上對微波背景輻射做了大量的測量和詳細的研究，發現它在一個相當寬的波段範圍內良好地符合黑體輻射譜，並且在整個天空上是高度各向同性的，只是具有一個微小的偶極各相異性:在赤經 11.3±0.1 h，赤緯 4±2°的地方溫度略高，在相反的方向溫度略低，人們認為這是由銀河系運動帶來的多普勒效應所引起的。
COBE的成果
根據1989年11月升空的微波背景探測衛星(COBE，Cosmic Background Explorer)測量到的結果，宇宙微波背景輻射譜非常精確地符合溫度為 2.726±0.010K 的黑體輻射譜，證實了銀河系相對於背景輻射有一個相對的運動速度，並且還驗證，扣除掉這個速度對測量結果帶來的影響，以及銀河系內物質輻射的干擾，宇宙背景輻射具有高度各向同性，溫度漲落的幅度只有大約百萬分之五。目前公認的理論認為，這個溫度漲落起源於宇宙在形成初期極小尺度上的量子漲落，它隨著宇宙的暴漲而放大到宇宙學的尺度上，並且正是由於溫度的漲落，造成物質宇宙物質分佈的不均勻性，最終得以形成諸如星系團等的一類大尺度結構。
2006年，負責COBE項目的美國科學家約翰·馬瑟和喬治·斯穆特因其對“宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性”而獲得諾貝爾物理學獎。
WMAP的發現
2003年，美國發射的威爾金森微波各向異性探測器對宇宙微波背景輻射在不同方向上的漲落的測量表明，宇宙的年齡是137±1億年，在宇宙的組成成分中，4%是一般物質，23%是暗物質，73%是暗能量。宇宙目前的膨脹速度是71公里每秒每百萬秒差距，宇宙空間是近乎於平直的，它經歷過暴漲的過程，並且會一直膨脹下去。
“普朗克”發現與宇宙誕生全景圖
歐洲航天局2013年3月21日在其巴黎總部公佈了根據“普朗克”太空探測器傳回數據繪製的宇宙微波背景輻射圖，這幅迄今最精確的反映宇宙誕生初期情形的全景圖幾近完美地驗證了宇宙標準模型。
這幅圖根據歐航局2009年發射的“普朗克”探測器在頭15個半月內收集的數據繪製而成，比美國航天局此前發射的宇宙背景探索者(COBE)衛星和威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)探測到的微波背景輻射更為精確，見證了宇宙誕生38萬年後的情形。
除了以前所未有的精確度很好地驗證了宇宙標準模型外，這幅圖還反映出一些與現有宇宙理論不同之處，修正了人們此前的認識。根據“普朗克”探測器收集的數據，科學家對宇宙的組成部分有了新的認識，宇宙中普通物質和暗物質的比例高於此前假設，而暗能量這股被認為是導致宇宙加速膨脹的神祕力量則比想象中少，佔不到70%。
此外，反映宇宙膨脹率的哈勃常數也被修正至67.15公里/(秒·百萬秒差距)，即一個星系與地球的距離每增加一百萬秒差距(一秒差距約為3.26光年)，其遠離地球的速度每秒就增加67.15公里。這個數據意味著宇宙的年齡約為138.2億年。
目前為科學界所普遍接受的宇宙起源理論認為，宇宙誕生於距今約137億年前的一次“大爆炸”。宇宙微波背景輻射被認為是“大爆炸”的“餘燼”，均勻地分佈於整個宇宙空間。“大爆炸”之後的宇宙溫度極高，之後30多萬年，隨著宇宙膨脹，溫度逐漸降低，宇宙微波背景輻射正是在此期間產生的。
歐航局的“普朗克”探測器於2009年5月從法屬圭亞那庫魯航天中心升空入軌，其主要任務是探測宇宙微波背景輻射，幫助科學家研究早期宇宙形成和物質起源的奧祕。2010年，歐航局根據“普朗克”探測器傳回的數據繪製了首幅宇宙全景圖，此次公佈的宇宙微波背景輻射全景圖是在宇宙全景圖的基礎上繪成的。
量子革命的導火線不是對物質的研究，而是輻射問題。普朗克假定振動電子輻射的光的能量是量子化的，從而得到一個表達式，與實驗符合得相當完美。理論本身是很荒唐的，就像他後來所說的那樣:"量子化只不過是一個走投無路的做法"。
美歐航天局拒絕繼續資助，科學家積極尋求對策
2018年7月，歐洲航天局（ESA）的普朗克太空望遠鏡發佈了早期宇宙的最終地圖，這預示著普朗克任務已經奏響“最後的樂章”。
普朗克是研究宇宙微波背景輻射（CMB，宇宙大爆炸的微弱餘輝）的三大太空望遠鏡系列中的最後一個，它使科學家獲得了迄今對宇宙的年齡、幾何形狀和構成的最精確測量結果。
但歐洲和美國的機構都不打算為後續太空任務提供資金，這在宇宙學家心中埋下了隱憂。
普朗克任務結束，相關人員紛紛另謀他路
20多年來，許多基於地面和熱氣球的實驗以及三個主要的太空望遠鏡對CMB進行了研究。他們主要專注於繪製天空中CMB溫度的微小變化，以創建宇宙地圖。
從2009年到2013年，普朗克太空望遠鏡收集到的前所未有的精確數據，幫助科學家確定了宇宙的年齡（約138億年）、幾何形狀（基本上是平的）及其組成（95%的暗物質和暗能量）。特別重要的是，最新發布的數據鞏固了早期基於普朗克數據的預測，即宇宙的膨脹速度應該比目前觀察到的慢9%。
未參與普朗克任務的愛爾蘭梅努斯大學理論宇宙學家彼得·科爾斯表示，溫度圖譜和它們產生的科學是一項“偉大的成就”。
據美國《科學美國人》雜誌官網7月24日報道，普朗克任務項目科學家、宇宙學家簡·陶伯說：“整整一代年輕科學家與普朗克一起成長。”而隨著普朗克任務的結束，研究人員紛紛轉向其他項目。
巴黎天體物理研究所的西爾維亞·加利2013年成為普朗克團隊的一員，並幫助領導了這項最新研究。現在，她可能會和許多同事一起加入歐幾里德（Euclid）望遠鏡項目。該項目由ESA主導，將在前所未有的尺度上繪製宇宙星系圖。定於2021年發射的歐幾里德是一種老式的光學望遠鏡，而非微波探測器，在技術上與普朗克不同。
另一位普朗克項目組成員、英國塞克斯大學博士後朱利安·卡隆目前已加入智利的西蒙斯天文臺。他說，西蒙斯天文臺吸引人的一個地方是，使用引力透鏡有可能解決另一個基本物理問題——估算中微子這種基本粒子的質量。
CMB偏振成新關注點，有望揭示宇宙暴脹之謎
普朗克即將謝幕，對CMB的其他參數進行詳細測量成為新的研究關注點，其中包括CMB的偏振——微波電磁場在特定方向上對齊的輕微趨勢。研究人員希望從中找到宇宙發生暴脹（宇宙大爆炸後短暫時期宇宙呈指數級的膨脹）的標誌。巴黎天體物理研究所普朗克任務高級研究員卡里姆·博納伯德說，宇宙學家還可以通過研究CMB的偏振如何使時空彎曲，來測量物質在整個宇宙中的分佈，這種效應被稱為引力透鏡。
普朗克也繪製偏振，但其靈敏度有限。巴黎狄德羅大學天體物理學家雅克·德拉布魯耶幫助設計了普朗克望遠鏡，他說：“只有10%的偏振信息被利用，CMB仍有很多祕密有待揭開。”
目前，僅有幾個美國團隊正在用地面和氣球設施測量偏振，而美國國家航空航天局（NASA）和ESA都拒絕資助新的大型衛星研究CMB。原因之一是，實驗尚未找到宇宙暴脹的偏振特徵。位於南極的BICEP2望遠鏡團隊2014年聲稱檢測到了該特徵，但普朗克數據顯示它只是銀河系中的塵埃。在最新研究中，普朗克團隊還在BICEP2數據的幫助下尋找暴脹的特徵，但一無所獲。不過，美國普林斯頓大學宇宙學家理查德·戈特說：“我們還沒有看到的事實並不意味著它不存在。”
延伸
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