宇宙背景辐射

  1964年,贝尔实验室的两位研究人员彭齐亚斯(Arno Penzias)和威尔逊(Robert Wilson),完成了一项惊人的发现,这一发现被证明是长期以来所寻求的对大爆炸学说的验证。但更值得注意的是,他们的观测结果—探测到了宇宙背景辐射——是事先完全未预料到的。

当彭齐亚斯和威尔逊在新泽西州的霍尔姆德尔用6米直径的射电抛物面天线,搜寻来自银河系的微波时,被一种奇怪的持续不断的“蜜蜂的嗡嗡声”所干扰,而且这种噪声,不论用什么样的办法都无法消除。起初,他们把这种“嗡嗡叫”归因于接收天线底座上的鸽子,是彭齐亚斯所戏称的鸽子的排泄物“白色的介电物质”干扰外来信号的结果。在他们将天线完全清理干净后,噪声仍然存在。最后,被迫得出结论:他们检测到了来自深空的真实的信号。

40年代后期,物理学家伽莫夫(George Gamow)、阿尔法(Ralph Alpher)和赫尔曼(Robert Herman),曾在一系列的论文中,提出宇宙背景辐射的探测对大爆炸假说是一项重要的证明。他们估计,现在这一辐射的温度为3开(绝对零度以上3度)。迪克(RoberDicke)在60年代进行了同样的计算,并立即领悟到彭齐亚斯和威尔逊发现的嗡嗡叫声的来源,清楚地认为他们已发现了从宇宙创生时冷却下来的辐射。后来,彭齐亚斯和威尔逊因他们的发现获得了诺贝尔奖。

宇宙背景辐射的一个值得注意的特色是它们的非常的均匀性。不论将抛物面天线转向何方,探测到的微波都具有相同的温度。从60年代后期到70年代前期,做的一次又一次的实验都得到这一均匀性的结果。

从某种意义上说,天文学家对宇宙背景辐射在整个天空在温度上的均匀性表示欢迎。因为这意味着它确实是一个宇宙的效应,而不是只与个别星系或宇宙的某一特殊部分有联系的局部现象。因此,研究人员确信这一能量来源应远远地追溯到大爆炸后的复合时期,而不是从更多平凡的来源发生的。

但另一方面,对微波温度的过分均匀反而感到不舒服。这是因为宇宙内结构形成的理论要求辐射背景有小的不规则性,但这些小起伏那时未被发现。

大多数科学家相信,宇宙背景的起伏是宇宙中结构的来源。按照大多数星系形成模型,从自上而下的泽多维奇模型到自下而上的皮伯斯模型,今天结构的种子都植根于早期宇宙的密度不规则性之中。换句话说,复合时期的宇宙必定有较密的区域,也有较稀的区域。随着时间的推移,较密区域通过它们较强的引力吸引越来越多的物质,生长出我们今天所认为的星系、星系团、超星系团、薄壁和纤维,较小的团块成长成较大的团块,等等。相反,较稀的区域其引力拉曳较小,于是成为我们所观测到的星系之间的空间,如空洞。

物理学家曾计算过在复合时期所需要的不规则(密度起伏)的大小,以便形成我们今日见到的种种结构。他们曾估计出,必须约有在原初宇宙的密度中有0.1%的变化。换句话说,对平均值而言,某些区域必须有0.1%较高的密集,另一些区域有0.1%较低的稀疏。

其次,按照天体物理学说,在复合时期释放的辐射的温度变化,是直接与那个时期物质密度的密度起伏有联系的。因此,从理论上说,需要在宇宙微波背景中的温度“涟漪”反映出在物质分布中的波峰与波谷。

1977年,天文学家施穆特(George Smoot)和他的来自劳伦斯·伯克利实验室和加利福尼亚大学伯克利分校的空间科学实验室的小组成员们,发表了关于背景辐射中温度变化的第一个证据。但这些差别,不是长期寻求的原初“涟漪”,它们表示的是叫做“偶极各向异性”的现象。

偶极各向异性是一个多普勒效应,是由于银河系穿行于宇宙微波海洋中的向前运动产生的,犹如航行于海洋中的船,冲向来临的波浪时的情形。我们的银河系不断地压经宇宙微波背景中的波前,由于多普勒效应,天空的微波辐射在银河系的前方和后方看来有所不同,前方显得热些,后方冷些。

这个难以捉摸的温度差,由伯克利小组所使用的灵敏辐射仪(射电波探测器)检测到了。该仪器放置在美国国家航空航天管理局(National Aeronautics and Space Administration,以下简称NASA)的埃姆斯U—2喷气飞机上,高于大气层飞行。为了使此仪器感受偶极各向异性的能力增加到最大限度,将该探测器指向相反的两个方向。使科学家们快慰的是,它所记录的信号与对于多普勒效应的理论预测值符合得极好。

施穆特发现这些偶极起伏后,便开始计划搜寻来自早期宇宙的真正的遗迹变化。为达到此目的,他设计了一个特殊的高精度探测器,名为差分微波辐射计(Differential MicrowaveRadiometer,简称DMR)。在这类仪器中,DMR可以说是举世无双的,因为它不是记录一点的温度,而是用一对天线去测量两个不同天区的温度差,这就能够比其他辐射计获得更精确的数值读数。它能测出百万分之一的温度差。

DMR实际上由分别调谐到3.3、5.7及9.6毫米3个射电波长的辐射计组成。在这3个波长,宇宙背景辐射的强度大大超过来自其他辐射源的强度。例如,在这些波长,宇宙背景比星系的微波发射要强1000多倍。

施穆特做好他的DMR后,准备将其发射升空。由于“挑战者号”航天飞机的灾难性事故,NASA的发射计划受到挫折。直到1989年晚些时候,施穆特及其同事们才得到NASA的准许实施他们的探空计划。DMR搭乘在一个叫做宇宙背景探测者(Cosmic Background Explorer,简称COBE)卫星上,于1989年11月发射升空。COBE的飞行轨道位于不受地球大气影响的大气层之上,但在地球辐射带之下,以避免该带中带电粒子的干扰。

1992年,施穆特宣布发现了等待已久的宇宙背景中的遗迹——在天空1亿多光年大小的天区内的热的冷的区域。这些区域内温度的变化对于平均温度2.735开来说在10万分之一度左右,也就是说,该变化约为百万分之六。

天文学家们立即看出,施穆特的观测结果是支持大爆炸模型的有力证据。他发现的平均辐射温度精确地对应于(达到小数点后第6位)有关宇宙背景辐射的理论预见。其次,他发现的温度起伏也与结构形成方案的理论值符合得很好。最后,其结果提供了宇宙中存在着大量暗物质的证据。总之,施穆特与其同事们的发现是20世纪后期宇宙学的一项重大胜利。

在获得了早期宇宙辐射轮廓的详细信息后,天体物理学家们便忙于校正他们的结构形成理论。当一些科学家在设法发展关于星系是如何从原初种籽生长起来的增强模型时,另一些人则在时间上进一步上溯企图说明这些团块本身的来源。他们仔细考虑这些微小的起伏,是如何发生得正好在大小和数量上提供宇宙结构的原始基础的。

当前,有许多关于原初密度起伏的重要理论。暴涨宇宙学说特别引人注目。按照这一学说,在宇宙早期的发展史上经历了一个非常快的生长期。宇宙经过此急骤胀大的阶段后,平静

宇宙辐射生理效应

  宇宙辐射生理效应就是空间(宇宙)粒子辐射引起的人体生理反应。空间粒子辐射是空间飞行环境的重要环境因素之一,会引起人体许多生理反应,甚至造成损伤。在航空中,人受到的宇宙辐射影响一般可以忽略不计。
  粒子辐射作用于人体时细胞中原子产生电离效应,使机体分子、细胞、组织结构受到损害,失去原有的生理功能。损害程度较轻时因机体有代偿能力而不致引发病状,严重时则引起辐射玻辐射对人体的损伤可分为急性损伤和慢性损伤两种。急性损伤一般是人体在短时间内受到大剂量辐射造成的,先是出现疲乏、虚弱、恶心呕吐、头痛,白血球减少等初期症状,通常延续3~5天,随后有几天症状减轻或消失的间隙期,呈现好转的假象。一周左右病情又迅速恶化而进入发作期,主要症状有:白血球、血小板剧烈减少、明显贫血、腹泻、便血、粘膜渗血和出血等,持续2~4周,有的经治疗恢复,严重的可能死亡。长期受到辐射的人,会因辐射剂量的累积而发生慢性辐射病,其主要症状是白血球减少、不孕、疲乏无力和虚弱等,但有的人与正常人相比看不出明显的病症。慢性辐射病经治疗和脱离辐射环境后均可恢复。
  空间粒子辐射经地球大气层屏蔽到达地面的剂量很小。在地面,人平均在30年内接受的自然剂量仅为43.5~55毫希沃特或4.35~5.5雷姆(剂量当量的单位)。飞机低空飞行时不存在辐射问题。超音速运输机(飞行高度在15~22公里)接受到的辐射剂量比低空要多。在20公里高度上约为0.01~0.02毫希沃特/时(1~2毫雷姆/时),大约是地面剂量的100~200倍。据估计超音速飞机飞行人员每年宇宙辐射总剂量可达5~10毫希沃特(0.5~1雷姆),南北极上空飞行,可达20毫希沃特/年(2雷姆/年)。一般规定飞行员的辐射限度为每人每年总剂量不超过50毫希沃特(5雷姆),旅客不超过5毫希沃特(0.5雷姆)。高空飞行一般不超过辐射安全限度。
  载人航天活动中,人体接受的辐射剂量与载人航天器的轨道高度、飞行时间和舱壁屏蔽程度有关。轨道高、时间长接受的剂量就多,而尤以轨道高度作用更大。迄今,大多数载人航天器的轨道高度较低,航天员接受的辐射剂量均未达到对人体损害的程度。对于长期高轨道飞行,宇宙辐射生理效应将是一个研究的课题。美国和前苏联都制定了载人航天允许的辐射剂量标准。
  航天器的舱壁和航天服对空间粒子辐射有一定的屏蔽作用。其他的防护措施是:服用预防辐射病的药物,如胱氨酸、半光氨酸、光胺、半光胺等,长期服用增强体质的药物如人参、维生素、组氨酸、三磷腺等;在航天过程中,及时测定航天员接受的辐射剂量,避免接受大剂量辐射;入轨返回时避开内外地球辐射带;及时监视和预报太阳质子事件等。