宇宙微波背景图上的斑点如何推算宇宙参数

宇宙微波背景是宇宙冷却到约3000开尔文、电子与原子核结合成中性原子之后释放出来的光。这些光子此后几乎没再与其他物质碰撞，一路被宇宙膨胀拉长，今天落在微波波段，对应约2.725开尔文的黑体谱。1965年，两位工程师在调试天线时被一段无法消除的噪声困扰，最后确认那正是这层背景辐射。1992年，一颗早期卫星公布了它的温度起伏图，宇宙学从此进入精确测量阶段。

起伏的幅度极小，温度差异只有十万分之一量级，换算成电信号不过几十微伏。把全天温度分布按球面谐波展开，会得到一条随角尺度变化的功率谱。谱上最显眼的是一个峰，出现在大约220阶的位置，对应天空中约1度的角尺度。这个位置不是随便来的，它记录的是早期等离子体里声波的基频，波长由当时声速和宇宙年龄共同决定。

早期宇宙是一锅带电粒子与光子的混合流体，引力往里压，辐射压往外顶，两者对抗形成振荡。重子被压缩时会拖慢振荡，光子扩散又会把小幅度的波纹抹平，于是功率谱呈现出多个峰和一条衰减的尾巴。复合发生时，振荡被冻结，这些波纹就以密度起伏的形式保留下来，后来长成星系。峰的位置告诉你空间的曲率，峰的高度告诉你普通物质有多少。

把这些峰位和峰高与模型比对，得到的结果相当一致：空间接近平坦，普通物质只占总量约5%，冷暗物质约占27%，其余是推动加速膨胀的成分。同一套数据还能定出宇宙年龄约138亿年，以及膨胀速率的基准值。不同卫星的频段和灵敏度不同，但几条独立的观测路线给出的参数互相吻合，这是结论被接受的核心理由。

读这类图常见的误解是把它当成一张普通照片。图上的颜色是温度差，幅度被放大了成千上万倍，真实的反差肉眼根本看不出来。另一个误解是以为斑点就是星系，其实那些斑点是宇宙38万年时的密度涟漪，尺度比今天的星系团大得多。要得到干净的图，还必须剔除银河系尘埃、同步辐射等前景，这一步往往比观测本身更费工夫。