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南四湖奇遇:当我们说宇宙背景辐射是3K的时候,是什么意思呢?

发布时间:2019-06-02 来源:包卜体育直播

任何有内能的物体(温度不是绝对零度,或者0 K)都会通过电磁波(光)的形式向外辐射能量。黑体辐射能量随波长的分布可以用普朗克(Planck)辐射函数表示。将辐射强度随波长的变化绘制到图上,我们可以发现,最强辐射的波长与温度有关,温度越高,最强辐射的波长越短。从普朗克方程所得的这一规律称作维恩(Wien)位移定律。此外,随着温度的升高,所有波长的辐射强度都会增加。

当我们说宇宙背景辐射是3K的时候,是什么意思呢?

这样的现象你可以从加热一根铁棒的过程中感受到。一开始,铁棒的所有辐射都处于红外波段(一种波长太长,以至于人类无法看到的光)内。随着铁棒的温度升高,它发出的电磁波的波长进入到可见光范围,铁棒开始慢慢变红。随后,最强辐射的波长越来越短,你可以依次看到铁棒从橘黄色变成黄色,最后变成白色。故而通过分析波长光谱,可以计算物体的温度。黑洞附近温度极高,最强辐射的波长极短,属于X射线的范围内。像我们的太阳这样的恒星,辐射的能量主要在可见光区域,而像行星这样温度较低的物体则发射不可见的红外辐射。

当我们说宇宙背景辐射是3K的时候,是什么意思呢?

图解:普朗克定律描述的黑体辐射在不同温度下的频谱

宇宙大爆炸产生的极端高温释放了强烈的、波长非常短的辐射,之后随着宇宙的冷却,这些极端的辐射变成了微波(这也可以解释为,随着宇宙的膨胀,辐射的波长不断伸长)。微波的波长甚至比不可见的红外线都要长,位于射电望远镜的观测波段范围内,这使得它们可以被射电望远镜捕捉到。现在,宇宙大爆炸遗留下来的“背景辐射”可以从各个方向观测到,将观测到的宇宙背景辐射的辐射强度随波长的变化绘制成图,你会发现,它与温度在2K到3K之间时的黑体辐射曲线相匹配。

当我们说宇宙背景辐射是3K的时候,是什么意思呢?

简单的回答是,这是实验者在测量宇宙微波背景光子的波长(通过名字不难猜到,测量的辐射多位于微波波段)。通过以下式子,可以通过辐射的波长计算得到光子能量:E=hc/ λ。

补充信息:

E为光子能量

为波长

c为光速,c=3.0×〖10〗^8 m/s

h为普朗克常数,h=6.63×〖10〗^(-34) Js

根据以下式子将波尔兹曼(Boltzmann)常数k代入,可以通过光子能量算得辐射体的热力学温度。

k=1.38×〖10〗^(-23) J/K=8.62×〖10〗^(-5) eV/K

因此,当宇宙学家谈论光子的“温度”时,他们基本上是在描述该温度下光子携带的效能量。

当我们说宇宙背景辐射是3K的时候,是什么意思呢?

谈及温度这个关键的变量,必须强调的一点是,并非每个来自宇宙背景的光子的温度都是2.7K。事实上来自宇宙背景的粒子的能量(或者温度)涵盖了非常大的取值范围,然而,根据维恩位移定律,宇宙背景的辐射波谱正是2.7K的黑体的辐射能量的光谱:λ_max=2.90×〖10〗^(-3) T(m/K)

2.7K的黑体的辐射峰值所在的波长为:λ_max=7.92×〖10〗^(-3) m。

这正是实验人员观察到的宇宙背景辐射波长。

但这并不是说来自宇宙背景的光子的温度都是2.7K的,而是它们整体看上去好像是一个2.7K的黑体发射出来的光子。

当我们说宇宙背景辐射是3K的时候,是什么意思呢?

天文相关知识-宇宙背景辐射

宇宙背景辐射是一个来自宇宙大爆炸的电磁辐射,它来自于我们所观察到的光谱区域,宇宙微波背景是其成分之一。宇宙微波背景是红移的光子,从宇宙刚刚开始变得稀薄、辐射能量的时候就在宇宙中自由地散播了。宇宙微波背景的发现和对其性质的详细研究被认为是大爆炸的主要例证。宇宙背景辐射的发现表明(1965年偶然发现的),早期宇宙是一个极高温度和压力的辐射场。

当我们说宇宙背景辐射是3K的时候,是什么意思呢?

苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应(Sunyaev-Zel'dovich effect)是指宇宙背景辐射与“电子云”相互作用,扭曲辐射的光谱的现象。

在红外波段、X射线波段同样也存在宇宙背景辐射,它们形成的原因各不相同,有时候可以分解成独立的辐射源。点击可以查看宇宙红外线背景辐射、宇宙X射线背景辐射、宇宙中微子背景及河外背景光等信息。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. Brent Nelson- physlink

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