CMB輻射的各向異性 & COBE

在本章中，我們將討論CMB輻射的各向異性和COBE，即宇宙背景探測器。

CMB中的主要各向異性

為了理解來自太空的觀測結果以及宇宙微波背景輻射中的主要各向異性，讓我們採用以下方程並理解如下所示。

$$n_{\gamma,0} = \frac{總能量密度}{光子的特徵能量}$$

$$n_{\gamma,0} = \frac{aT_0^4}{k_BT_0}$$

其中$k_B$是玻爾茲曼常數，$T_0$是宇宙的當前溫度。

使用當前溫度$(T_0)$為2.7 K，我們得到當前CMB光子數密度為400 cm⁻³。

在較大尺度上，宇宙恆星光子數密度要小得多（≈= 10⁻³ cm⁻³）。

如果來自星系的恆星貢獻與CMB混合可以忽略不計，則重子與質子比為−

$$\eta = \frac{n_{b,0}}{n_{\gamma,0}}$$

當前值為≈5 × 10⁻¹⁰。由於光子和重子數密度都與a⁻³成正比，因此η不會隨時間變化。

與數密度相反，目前物質能量密度比光子能量密度更占主導地位。

重子物質的能量密度 = $\rho_{b,0}c^2 = 0.04\rho_cc^2 = 2 × 10^{−9} ergcm^{−3}$。而輻射的能量密度 = $aT_0^4 = 4 \times 10^{−13}ergcm{−3}$。

彭齊亞斯和威爾遜發現CMB在觀測限度內是各向同性的。這些限度是儀器的低角解析度和靈敏度。他們在地球上進行觀測，因此無法透過所有光譜進行觀測，因為大氣中的水蒸氣吸收了許多波長，範圍從1毫米到1米。因此，CMB不能斷言為一個光譜。

CMB被認為是旋轉不變的（各向同性的）。由於存在物質和輻射處於平衡狀態的時期，因此宇宙中結構的形成是無法解釋的。由於物質的分佈不是各向同性的，而是像一個宇宙網一樣聚集在一起，中間有巨大的空洞，因此CMB被認為具有河外起源。

但是，隨著太空觀測的開始，發現了CMB中的各向異性，這導致了這樣的推理：物質中的這些各向異性導致了結構的形成。

發射到太空觀測CMB的主要衛星是−

COBE主要有兩個儀器。它們是遠紅外絕對光譜儀 (FIRAS) 和差分微波輻射計 (DMR天線)。FIRAS測量CMB的強度作為沿任何特定方向的波長的函式。而DMR有3個天線來測量來自三個不同方向的CMB強度的差異。以下要點為我們提供了有關FIRAS和DMR的更多資訊。

CMB光譜（強度作為能量的函式）幾乎是完美的黑體，對應於T = 2.7 K。CMB輻射的比強度對於所有方向幾乎都是相同的。證實宇宙在較大尺度上是各向同性的（驗證了我們對宇宙學原理的假設）。

資料分析表明，在COBE（DMR）的解析度下，CMB光譜中存在溫度各向異性（“漲落”）。

COBE、WMAP、普朗克的解析度

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