天文学家是如何了解宇宙的过去、现在和未来？

各行各业都有自己的一套方法论，天文学家也有自己的一套方法论，他们有个特点，那就是特别喜欢用“模型”，这是因为能够获得数据很少，凑模型才能解决很多问题。但并不是说，天文学家就没有其他的办法，他们其实现在人手一份武功秘籍，这就是宇宙微波背景辐射。

你可能看不出什么门道来，但是对于天文学家来说，这本武功秘籍越是精确，他们能得到的信息就越多，越精准。更让人感到不可思议的是，他们可以从这张图中读到许多宇宙过去100多亿年的历史，以及900多亿光年直径的可观测宇宙空间内发生的事情。

那具体是咋回事呢？我们今天就来好好地聊一聊：

发现宇宙微波背景辐射

1964~1965年，美国的贝尔实验室的无线电工程师彭齐亚斯和威尔逊发现了一个遍布全天的背景噪音，无论如何想办法去消除这个噪音都没有办法。后来，他们和天文学家们进行一系列的讨论之后，才了解到他们找到了一个宇宙大爆炸的证据：宇宙微波背景辐射。

阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊测量温度约为3 K。罗伯特·迪克，P.J.E.皮布尔斯，P.G.Roll及威尔金森解释这种辐射是大爆炸的印记。具体来说，我们可以这么理解，宇宙诞生与一个炙热的开端，我们管这个开端叫做：奇点。

奇点有三个特点：温度无限高，体积无限小，空间曲率无限大。

宇宙大爆炸发生之后，宇宙的空间一开始出现了指数级的膨胀，后来慢慢减速膨胀。整个过程温度都在下降。

当宇宙大爆炸之后的第38万年起，宇宙大爆炸时的余热就以电磁波形式在宇宙中传播开来，也就是宇宙微波背景辐射了。

宇宙微波背景辐射的特点

宇宙微波背景辐射之所以能够起到很大的作用，主要是因为三方面的原因，分别是信息量大，看得远以及能回溯过去。而信息量大主要体现在，它是信息的背景，说白了就是宇宙微波背景辐射是穿过了各种天体和宇宙空间才来到地球，被我们观测到，因此，它自身承载了各种天体和宇宙空间的状态变化，这些信息都隐含在宇宙微波背景辐射当中，因此说它信息量大一点都不为过。

根据现在对于宇宙微波背景辐射的观测和研究来看，科学家发现，

它的红移量大概在1100上下。

具体啥意思呢？首先，我们要搞懂红移是干嘛的？红移是说，

电磁辐射因为某种原因，波长增加，频率降低，也就是光谱朝着红端移动一段距离。

我们观测天体，说白了是通过电磁波，但是如果空间发生膨胀，电磁波就会把拉伸。看上去，就好像远离我们一样，这其实就是宇宙微波背景辐射的红移。下图中，上半部分就是红移。

宇宙微波背景辐射在光谱上的波长往红端方向移动了1100倍左右，我们可以对其进行距离上的换算，这个距离大概就有450亿光年以上。也就是说，宇宙微波背景辐射为我们提供了半径为450亿光年以上的观测范围，所以，我们才能看得远。

除此之外，按照宇宙大爆炸模型，宇宙微波背景辐射其实是宇宙大爆炸时的余热。

在宇宙打爆之后的38万年后，就开始在宇宙中传播，可以说这是我们能够观测到的古老的电磁波了，我们可以从宇宙微波背景辐射当中获取到宇宙早期的情况，所以才说能回溯过去。

宇宙微波背景辐射有什么用？

早期观测的宇宙微波背景辐射的图像是特别粗糙的，从中很难得到精确的信息，信息密度也不够高。后来，科学家想尽更重办法去提供整个观测精度，得到了更好的宇宙微波背景辐射的图像。

其中在1989年发射的COBE卫星，就大幅度提升了人类对于宇宙的认识。COBE卫星获得到的宇宙微波背景辐射并不是均匀的，而是存在10万分之一的微小起伏，那这有什么意义呢？

这一点微小的起伏其实代表着宇宙不同地方的物质密度是不一样的，同时也预示着这点微小的差异在宇宙未来的演化过程中对应着形成各种各样不同的结构，这个不同的结构其实就是恒星和星系。也就是说，星系和恒星其实就是来自于物质密度的微小差异。

如果宇宙初期是绝对的、完美的平均，那么所有的物质都会处于一种平衡状态，也就没有办法聚集在一起形成星系或者恒星了。

后来，2009年欧洲航天局发射了普朗克太阳望远镜，科学家想获得更加精确的宇宙微波背景辐射图象，所以普朗克望远镜是跑到地球轨道上，绕着太阳运动，这样就不会受到地球的干扰。它距离地球的距离是月球距离地球距离的4倍。普朗克卫星后来进行了长达5年的持续观测，得到了目前为止最精密的宇宙微波背景辐射的资料。

这些资料要远比COBE卫星发回来的还要精准得多得多，精确度高出一个数量级，很多细节部分得到了补充。通过普朗克卫星发回的宇宙微波背景辐射，我们得到许多目前天文学最新的数据，我们可以简单罗列一下：

宇宙的年龄从137亿年变更为138亿年。（更精确的说法是137.99±0.21亿年） 哈勃常数测定为67.15 km/s/Mpc，哈勃常数有什么用，我们下文具体介绍。 宇宙的物质组成如下：（这里强调一下，其实这是观测结合了理论进行计算得到的，并不是直接观测出来的。）

其他参数都好理解，但哈勃常数就比较复杂了，哈勃常数原本是描述星系红移的速率。但在这里其实和宇宙的密度，科学家假定宇宙是平坦的，意思是宇宙不弯曲。事实上，普朗克卫星观测的结果也确实是这样，在千分之六的精度上是平坦的。于是，我们可以得到一个宇宙密度公式，这当中的未知参数是哈勃常数，带入就可以知道如今的宇宙密度。有了如今的宇宙密度，再和宇宙的临界密度做比值，就可以得到一个参数Ω。

根据Ω具体的取值，我们可以知道宇宙的形状。

同时，它还对应了宇宙的未来。

因此，宇宙微波背景辐射本质上是一个可以告诉科学家宇宙各种参数的“武功秘籍”，它让科学家知道宇宙的过去，现在和未来。