[비즈한국] 光滑，光滑的。噗噗，噗噗的。坑坑窪窪，坑坑窪窪的。當Kani為了準備韓語考試而練習時，他嘴裡唸叨的這句話在人們耳邊縈繞了許久。或許是因為他獨特的節奏感。然而，我聽到他歌詞的瞬間，腦海中卻浮現出了一個風馬牛不相及的概念：宇宙微波背景輻射（CMB）。Kani的歌竟然出奇地體現了宇宙微波背景輻射的本質。
宇宙微波背景輻射是光滑的、平坦的，同時又是坑坑窪窪的。
宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸理論最有力的證據。根據大爆炸理論，宇宙在太初時處於比現在高得多的密度狀態。因此，當時的宇宙溫度極高。然而，宇宙開始了突然的膨脹，熱量均勻地散佈到四面八方並冷卻下來。現在的宇宙已經冷卻到僅比絕對零度高出2.7度的極低溫度。大爆炸後熾熱的宇宙所蘊含的熱量在均勻散佈並冷卻後留下的殘餘熱量痕跡，正是宇宙微波背景輻射。
1964年，物理學家彭齊亞斯（Penzias）和威爾遜（Wilson）在貝爾實驗室使用的一款海螺形狀的天線中捕捉到了無法解釋的雜音。雖然該雜音非常微弱，但卻在天空中從四面八方均勻地被捕捉到。起初，他們並不清楚這是什麼，但最終意識到這些訊號並非來自地球，而是來自宇宙本身。最初彭齊亞斯和威爾遜捕捉到的宇宙微波背景輻射非常“光滑”。它表明整個宇宙都在以完全相同的溫度均勻地冷卻。這種光滑性證明了宇宙正如大爆炸理論所言，是以非常均勻且各向同性的方式在整個宇宙空間中膨脹的。
此外，目前宇宙冷卻的程度展現了宇宙在此期間膨脹的速度。宇宙的命運取決於填充宇宙物質產生的引力，以及旨在進一步推動宇宙膨脹的暗能量的量。宇宙沒有邊界，也沒有大小。因此，宇宙的物質和能量透過密度來表達。如果宇宙密度太高，引力就會變強，宇宙將坍縮；如果密度太稀疏，宇宙很早就會隨著無法控制的膨脹而四分五裂。
宇宙微波背景輻射的觀測證明了宇宙是一個極其精密的世界。宇宙中的物質和能量剛好填充了介於兩者之間、不盈不虧的臨界密度。普通物質和暗物質佔總臨界密度的30%，暗能量佔剩餘的70%。因此，總和完美地填滿了臨界密度。這意味著宇宙時空是完美平坦的。宇宙時空是平坦的，換句話說，沒有曲率。這意味著在宇宙中，光線總是直線傳播，不會彎曲。宇宙微波背景輻射不僅展示了宇宙是光滑的，還展示了它是平坦的。
但這還不是全部。在彭齊亞斯和威爾遜的首次觀測之後，天文學家們現在使用更靈敏的太空望遠鏡來觀測宇宙微波背景輻射。在不受地球無線電干擾的情況下，他們繪製出了分佈得更加清晰的宇宙殘餘熱量圖。從最近普朗克衛星繪製的地圖來看，宇宙微波背景輻射看起來不再只是“光滑”的了。它顯露出了起伏和凹凸不平的樣子。這是因為，如果溫度比平均值高出或低出十萬分之一度，就會被用紅色或藍色表示。也就是說，宇宙微波背景輻射從大尺度看是光滑的，但如果敏銳地觀察極小的差異，就會發現突出的坑坑窪窪。
這種凹凸不平的溫度差異代表了早期宇宙的密度差異。在某處偶然比周圍的密度稍高或稍低。這種微小的密度差異導致了微小的引力差異。以密度較高的區域為中心，物質逐漸聚集，最終產生了更強的引力，吸引了更多的物質。就這樣，以這些地方為核心，星系誕生了，星系團形成了。在更靈敏的望遠鏡所繪製的宇宙微波背景輻射中確認的坑坑窪窪的溫度起伏，即密度起伏，成為了構建當今宇宙大尺度結構的星系種子。
如此一來，Kani唱出的三個詞——光滑的、平坦的、坑坑窪窪的——準確地契合了宇宙微波背景輻射所描述的宇宙特徵。從天文學家的角度來看，Kani無意中歌唱出了最完美的宇宙演化過程。宇宙微波背景輻射現在完美地解釋並證明了我們的大爆炸宇宙論。然而，依然還有著名的未解之謎存在。
宇宙微波背景輻射歸根結底是對從四面八方湧來的無線電波和光進行觀測，並將其表現為地圖。然而，在觀測光時有一個重要問題：觀測者自身的移動也會影響對光的觀測。當我們向著光前進時，光會因為多普勒效應向波長變短的方向偏移，相反，當我們遠離光時，光會向波長變長的方向偏移。前者分別被稱為藍移和紅移。
地球環繞太陽執行，太陽也在銀河系中大範圍環繞。我們的銀河系也與其他周圍的星系一起在宇宙空間中快速移動。因此，我們不是宇宙中靜止的觀測者。所以，當我們觀察宇宙微波背景輻射時，我們正朝著天空的一半前進，而另一半天空則不斷地從背後遠離。一半經歷藍移，另一半經歷紅移。實際觀測宇宙微波背景輻射時，這一點被如實反映了出來。因此，正如在地圖上所看到的，一半被表示為紅色，一半被表示為藍色。這就是所謂的宇宙微波背景輻射的“偶極”。
有人看到這個畫面說它像太極圖案，但這與太極毫無關係。它只是展示了宇宙的一半看起來比平均溫度更熱，而另一半看起來更冷而已。由於試圖將以立體球形觀測到的宇宙繪製成平面地圖，因此導致形狀被拉長成了橢圓形；此外，地球向著宇宙微波背景輻射前進的方向相對於銀河盤面有很大的傾斜，而這張圖將銀河系表現為與x軸平行，導致變熱的宇宙和變冷的宇宙方向略有偏差，看起來就像太極一樣。
無論如何，透過這種經歷著半邊藍移和半邊紅移的宇宙微波背景輻射觀測，我們意識到我們所居住的這個地球，相對於宇宙微波背景輻射正以360km/s相當快的速度進行高空飛行。這是由我們自身的移動造成的。因此，即使以實際上對我們而言幾乎可以視為靜止的、非常遙遠的背景星系為基準進行測量，也應該得到相似的值。我們理所當然地認為會是這樣。
然而，最近的觀測結果卻出人意料。如果我們正穿過宇宙空間向著某一個方向快速移動，我們將能夠在前進的方向看到更多的星系。這是因為光在那裡變亮的多普勒效應，以及光在前進方向發生彎曲而產生的一種光行差效應混合在一起導致的。在本次分析中，天文學家利用觀測低頻無線電的LOFAR射電望遠鏡，觀測了遙遠宇宙邊緣類星體等射電星系的閃光，並對其數量進行了統計分析。
結果令人震驚。顯示出了比僅僅根據現有宇宙微波背景輻射所推測的強三倍以上的偶極。換句話說，這意味著我們正以比預期快近三倍的速度在宇宙空間中疾馳。能夠解釋這一令人困惑的結果的，主要只有兩種可能：一是與我們的預期相反，分佈在宇宙邊緣的類星體並非均勻分佈，而是具有傾向於一個方向分佈的各向異性；二是指我們需要從頭開始修改關於宇宙大尺度結構形成過程的基礎物理定律。無論如何，這兩種解釋都超出了我們的預期。
參考
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/6z32-3zf4
作者池雄培（音譯）是？熱愛貓咪和宇宙。兒時看過《銀河鐵道999》後，立下了向世人宣傳宇宙之美的夢想。目前擔任世宗大學自由專業學部助理教授，進行講座及寫作等各種科學傳播活動。著有《每天一片宇宙》、《星光閃耀的宇宙科學家們》、《雖然去不了但能知道》、《看到宇宙就會浮現的奇怪問題》等書，翻譯了《銀河系漫遊指南》、《我為何殺死了冥王星》、《量子生活》、《Cosmigraphics》等書。