沿着ＣＯＢＥ的轨迹

梁剑才

宇宙是始于一次“大爆炸”吗?若如此，这一爆炸是什么样子?它是均匀地膨胀还是脉动性地进行?星系是如何聚集成形的?这些都是天文界有待解决的最基本问题。20世纪80年代末，美国航空航天局发射出一颗天文卫星——“宇宙背景探测者(COBE)”，对太空进行观测，寻找并记录原始大爆炸所留下的遗迹。

COBE绘出宇宙的微波背景和红外背景。微波背景辐射被认为是原始大爆炸的残迹，它来自空间的各个方向，几乎是均匀的，其能量相当于27K的温度。COBE以空前的精度和灵敏性来测量这一辐射。它还寻找天文学家所预言的，但一直未发现的红外背景辐射。那是第一批恒星、星系辐射的遗迹。

为何微波背景辐射受到如此重视，它的发现又被科学界看做一件大事，这是因为它是原始宇宙的“化石”。当我们回过头去看宇宙“出生”时的情况，我们会看到什么呢?我们能提出一个t=0的初始时刻，我们能“预测”到所有物质在均匀地浓缩到一个数学上无限密的点——奇点上。当然，在这种情况下，已知的物理定律已不适用了。按现行的宇宙学理论，在t=0以后的第3分钟，质子和中子开始合成氦核，其时的温度高达几十亿摄氏度。继而，整个宇宙约有1／4为氦所占有。这些理论与目前对恒星和太阳的观测吻合得很好，但是这一论点仅适用于强子的物质形式，而不适用于占宇宙物质90％的暗物质。我们现在观测到遥远的星系正在相互远离，所有的星系都是爆炸中的一部分，因而推测爆炸出现在约150亿年之前，但无法定出爆炸中心的位置，因为原来没有中心。当时空本身处在膨胀之中，任何东西都在相互离开。微波背景辐射充满在整个热爆炸宇宙之中，它随着宇宙的膨胀而冷却，这样它就能为我们提供宇宙极早期的信息。

COBE的另一个重要探测任务，是去寻找理论所预言的一系列天文事件。

在年青的热宇宙中，自由带电粒子(特别是电子)产生辐射。这一辐射事件始于大爆炸的第一年，因为当时这些带电粒子能量很高，它们不断地漏出能量以创生光子。宇宙背景辐射中的光子数量就是在那个时期确定下来的，以后几乎没有变化。第二个事件发生在物质粒子间开始碰撞约1000年之后，这是指物质不再严重地影响辐射的波长，因为此时辐射已变弱(和以前相比)。第三个事件发生在大爆炸后约50万年，物质已变冷，电子已难于维系在核的周围而形成质子。在此事件后，电子就不再与光子相碰撞，宇宙对于辐射来说，一下子变得透明了，这就像雾突然被蒸发掉一样。

但科学家迄今尚未探测到那个时期物质与背景辐射相互作用的直接证据。实际上当时辐射很强烈，它控制着极大部分物质的运动及温度。按理论来说，应该在辐射背景上看到这些痕迹，故人们期待COBE探测到那些事件的痕迹。若宇宙并非如我们所想像的那样简单、平滑、均匀。譬如，若骚动的能量被释放，或者原始黑洞确实存在，那么COBE就有可能“看”到它们，因为它们将提高物质的温度，并改变背景辐射的波谱。

COBE将详细地研究宇宙背景辐射，它精确地测定其波长，测出不同方向上辐射强度的微小差异，因为正是这些微小差异中隐含着新的物理现象。我们目前观察到，宇宙物质集聚有一个等级式的模式，从微观的星尘埃到直径上亿光年的超星系团，可是我们并不太清楚它的形成过程。COBE将去寻找这个答案。天文学家推测，星系大概是在爆炸后的200万年的那个时期形成的，在这一形成过程中又出现巨大的爆炸，但却一直未观测到这种爆炸所产生的辐射。COBE将探测这种辐射，并记录它的光子能量。

COBE拥有一系列现代最新技术武装起来的观测手段。为了阻止来自太阳的干扰，所有仪器都装在一个锥形罩中。对红外探测仪器更是小心翼翼，把它置于真空绝热的容器中，用600千克的液氦，使其保持在近乎绝对零度的环境中。

这颗卫星运行于900千米高的上空，它的飞行轨道只经过地球的微明区上空，从北极走向南极，这样可将太阳、地球的强光和强热的影响缩小到最低限度。这一轨道还将使COBE上的仪器一直保持着向“上”看的姿态，并使自己免受阳光的直射。900千米的高度是恰到好处的，这使得卫星既免遭地球大气的干扰，又逃出高空辐射区的质子、电子袭击。

飞船本身的设计也不一般。它是第一颗沿着一根不固定线旋转运行的卫星，它的旋转轴线会经常变动，以使它保持向上“看”的状态。卫星收集和存储观测到的数据，然后再发回地面，地面站可通过中继卫星系统向COBE发号施令。

飞船最主要的仪器有三台。它们可测量1微米到1厘米波段的所有辐射，它们是：

微分微波辐射计 该辐射计将在三个波长(35毫米、57毫米、96毫米)上绘出天图，以测定早期宇宙到处都是相同的密度和温度。它能以7°的分辨率找出1000个离散源。它工作在较短的波长上，可把来自银河的干扰(波长较长)压到最低限度。由于它在三个特定的波长上测量，因此能把背景辐射与银河的辐射区分开来。它还备有自己的校正仪，其误差仅1％。它的天线也是特别的，能很好地避开不感兴趣的天体的干扰。这台辐射计是如此敏感，它能辨出两个很暗的亮点，只要它们的亮度高于宇宙背景辐射001％即可。

远红外分光光度计 这台仪器是用来测定宇宙背景辐射的波谱(所有各个波长上的强度)，从中可看出宇宙是否出于一个简单的爆炸。它保持在极低(2K)的温度中，以将其本身的辐射缩减到最小；否则，由于它的高灵敏度，它将受到自身的干扰。它所获得的数据要比过去同类实验精确100倍。

这台光度计也和上述的辐射计一样，在它观测天空时，以7°的分辨率把观测区域分成1000个小单元。当辐射通过仪器时，就被其内附的辐射测量计(一种微小而灵敏的测热计)所测定。其灵敏度之高，可测出百亿分之一卡的热能，相当于从美国纽约的一只灯泡发出的，被在华盛顿的一枚邮票上接收到的热量。

弥散红外背景辐射的探测仪 这一仪器要探测的是第一批恒星所辐射出的热量。它测量的是集体性的几百万颗星体的闪烁，而不是放大单个天体的光。它用10个滤波器以供选择不同的波长，天文学家期望该仪器能在某些方面改进“红外天文卫星”过去所做的测量。它覆盖较宽的波段，能把均匀的亮天区与暗天区分开来。它可在1微米～3微米的波长上测定辐射的极化现象。它可在不受太阳影响的情况下，具有一个很宽的扫描角度。

COBE的观测最终将在100个波长上绘出一幅完整的天图。天图不仅展现出宇宙现在的模样，还将显示出自大爆炸后一年以来所发生的事件迹象。天文学家将用它来确定宇宙是否旋转，这是目前天文界颇有争论的一个问题。宇宙是否均匀膨胀?何时形成第一批恒星和星系?它们又是如何集聚成团?为此，天图还将表示出河内恒星、星际空间和行星际空间的尘埃云的位置。