CMB辐射的各向异性 & COBE

在本章中，我们将讨论CMB辐射的各向异性和COBE，即宇宙背景探测器。

CMB中的主要各向异性

为了理解来自太空的观测结果以及宇宙微波背景辐射中的主要各向异性，让我们采用以下方程并理解如下所示。

$$n_{\gamma,0} = \frac{总能量密度}{光子的特征能量}$$

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

其中$k_B$是玻尔兹曼常数，$T_0$是宇宙的当前温度。

使用当前温度$(T_0)$为2.7 K，我们得到当前CMB光子数密度为400 cm⁻³。

在较大尺度上，宇宙恒星光子数密度要小得多（≈= 10⁻³ cm⁻³）。

如果来自星系的恒星贡献与CMB混合可以忽略不计，则重子与质子比为−

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

当前值为≈5 × 10⁻¹⁰。由于光子和重子数密度都与a⁻³成正比，因此η不会随时间变化。

与数密度相反，目前物质能量密度比光子能量密度更占主导地位。

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

彭齐亚斯和威尔逊发现CMB在观测限度内是各向同性的。这些限度是仪器的低角分辨率和灵敏度。他们在地球上进行观测，因此无法通过所有光谱进行观测，因为大气中的水蒸气吸收了许多波长，范围从1毫米到1米。因此，CMB不能断言为一个光谱。

CMB被认为是旋转不变的（各向同性的）。由于存在物质和辐射处于平衡状态的时期，因此宇宙中结构的形成是无法解释的。由于物质的分布不是各向同性的，而是像一个宇宙网一样聚集在一起，中间有巨大的空洞，因此CMB被认为具有河外起源。

但是，随着太空观测的开始，发现了CMB中的各向异性，这导致了这样的推理：物质中的这些各向异性导致了结构的形成。

发射到太空观测CMB的主要卫星是−

COBE主要有两个仪器。它们是远红外绝对光谱仪 (FIRAS) 和差分微波辐射计 (DMR天线)。FIRAS测量CMB的强度作为沿任何特定方向的波长的函数。而DMR有3个天线来测量来自三个不同方向的CMB强度的差异。以下要点为我们提供了有关FIRAS和DMR的更多信息。

CMB光谱（强度作为能量的函数）几乎是完美的黑体，对应于T = 2.7 K。CMB辐射的比强度对于所有方向几乎都是相同的。证实宇宙在较大尺度上是各向同性的（验证了我们对宇宙学原理的假设）。

数据分析表明，在COBE（DMR）的分辨率下，CMB光谱中存在温度各向异性（“涨落”）。

COBE、WMAP、普朗克的分辨率

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