■本报记者 唐凤
2013年，欧洲航天局“普朗克”卫星将描绘出最为精确的宇宙微波背景辐射（CMB）图。
“甚至可以说，随着宇宙微波背景辐射研究的逐步精确和深入，宇宙学也逐渐进入精确科学范畴。因此，宇宙微波背景辐射对宇宙学而言极为重要，2013年很值得期待。”中国科学院国家天文台研究员张承民在接受《中国科学报》记者采访时表示。
寻找第一束光波
目前，科学界普遍认为，宇宙诞生于距今137亿年前的一次“盘古开天地式”的大爆炸，而宇宙微波背景辐射就是大爆炸的“余烬”，它均匀地分布在整个宇宙空间。
同时宇宙微波背景辐射的存在，给大爆炸理论以有力的支持，而这个有重要意义的微波背景辐射却是两个美国人在无意中发现的。
1965年，美国新泽西州贝尔实验室的两位无线电工程师Arno Penzias和Robert Wilson十分意外地发现了一种宇宙辐射场。当时他们架设了一台喇叭形状的天线，用以接受“回声”卫星的信号。他们将天线对准天空方向进行测量，但不断受到一个连续的本底“噪声”的干扰，使得实验无法进行下去。
Penzias和Wilson将这些有规律的“噪声”收集起来以后，发现其波长为7.35厘米，形状类似抛物线，并且各向同性的程度极高，也没有季节变化，因而他们判定它与地球的公转和自转无关。在几乎一年时间里，他们想尽办法跟踪和除去这个噪声，但丝毫不起作用。
这时，普林斯顿大学的Robert Henry Dick知道了他们遇到的问题。Dick马上意识到两位年轻人想要除去的东西正是众多科学家正在设法寻找的东西——宇宙大爆炸残留下来的某种宇宙微波背景辐射。
于是，两个研究小组开始联合攻关，最终证实了宇宙微波背景辐射的存在，并推算出宇宙的温度大约为3K（相当于零下270.15摄氏度）。
宇宙微波背景辐射的发现在近代宇宙学上具有非常重要的意义，它不仅给了大爆炸理论一个有力的证据，并且与类星体、脉冲星、星际有机分子一道，并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。Penzias和Wilson也因为这项发现获得了1978年诺贝尔物理学奖。
“上世纪80年代左右，宇宙学才开始进入人们的科学视野。90年代左右，宇宙学才开始逐步被认为是严肃的定量科学学科。而70年代之前的宇宙学被更多人视为有哲学思辨色彩的学科。而成为科学的标志就是，有基本理论的论述，同时也有诸多观测证据支撑。”张承民提到，宇宙微波背景辐射和星系红移支撑了宇宙大爆炸理论，使之成为绝大多数天体物理学家接纳的标准宇宙模型。
而且，人们也能通过宇宙温度和星系红移推算出宇宙的年龄。宇宙大爆炸时期，宇宙是一个大火球，大约到100亿年以后，温度才能降到3K，因此，宇宙的年龄也超过了100亿年。“当然这只是一种推算。”张承民说。
之后，宇宙微波背景辐射研究不断深入。
第二个诺贝尔桂冠
1989年11月，美国发射了宇宙背景辐射探测卫星（COBE），进一步探索宇宙。不负众望，COBE卫星获得一个惊人发现：宇宙微波背景辐射虽然几乎是均匀分布的，但在天空中上万个点中，温度却存在细微差距。
COBE卫星还探测出了微波背景辐射谱非常精确地符合温度为2.726±0.010K的黑体辐射谱，证实了银河系相对于背景辐射有一个相对的运动速度。并且它还证实，扣除掉这个速度对测量结果带来的影响，以及银河系内物质辐射的干扰，宇宙温度涨落的幅度只有大约百万分之五。
2003年绘制的有关这些细微差距的精确图纸帮助研究人员确定了宇宙的构成：5%的普通可见物质、22%的尚不可见的暗物质，以及73%暗能量。
因此，2006年诺贝尔物理学奖授予美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性。
“COBE卫星将我们带回了宇宙形成的婴儿时代，我们也知道宇宙是有皱纹的，并不是平滑的。更重要的是，研究早期宇宙，能帮助人们更多地了解恒星和星系的起源，宇宙学进入了‘精确研究’的时代。”张承民说。
宇宙微波背景辐射研究为美国带来两次诺贝尔盛宴，欧洲自然不甘落后。
绘出宇宙“晚霞”
2009年5月14日欧洲航天局发射了“普朗克”卫星。这颗以德国物理学家马克斯·普朗克名字命名的卫星携带了一系列敏锐度极高的仪器，以期能够对宇宙微波背景辐射进行深入探测。 普朗克是量子论的创始人，而辐射的黑体温度谱正是他提出来的。
“普朗克”卫星的角分辨率和灵敏度都远远高于之前的宇宙微波辐射探测器，并且“普朗克”的视野十分广阔，可以对宇宙进行全景“扫描”。
“该卫星绘制的宇宙微波背景图，角分辨率在10弧分以上，能确定宇宙的空间曲率，并能分辨某处天区中百万分之一度的温度差异，而且能够自动将来自银河系和已知的河外星系的光谱辐射从宇宙背景信号中去除。”张承民提到。可以打个比喻，如果说COBE卫星绘制的宇宙图是麻布片，各部分比较粗糙，那么“普朗克”绘制的图就是丝绸，纹理清晰细致。
而且，“普朗克”发现了银河系中心存在暗物质，为之前的许多疑惑找出了解答线索。
无论如何，2013年，“普朗克”将对宇宙微波背景辐射进行迄今最精确的绘图，以更高的精度检测现在的宇宙学理论，并可能发现证据补充或修正“大爆炸”理论。有学者预期，“普朗克”的进一步发现完全有可能问鼎未来诺贝尔物理学奖，也给我们带来更多宇宙的惊喜。
《中国科学报》 (2013-01-01 第21版 展望)
