几乎是各向同性……但并不确切！

几乎是各向同性……但并不确切！

CMB的光子从能够自由扩散以来几乎没有受到与物质之间相互作用的影响。因此，这些光子为我们提供了重组时期宇宙情况的真实图像。因为当时还没有任何恒星或星系形成，物质和辐射组成的“浓汤”那时还是很均质的。于是大爆炸模型预测CMB应该显示出强烈的各向同性，即在整个天穹上它的温度和光谱应该是各处相同的。

这一特性以约十万分之一（0.001%）的极高精确度得到了验证！这就是说在重组的时刻空间中所有区域的物理条件都是一样的。又一次，只有大爆炸模型能够解释这一程度的均质性和各向同性……

要凸显出天穹上的这种CMB的均匀性一点也不简单，即便是在空间中。首先，必须考虑到我们的运动：地球围绕着太阳旋转，太阳在我们的星系里移动而星系也在移动。由于偏移效应，面向我们而来的辐射显示出“蓝”移（能量更大）；而相反方向的辐射则是“红”移（能量更小）。人们很好地测量并了解了这一所谓的偶极效应。它为我们提供了关于我们在宇宙中移动速度的指示。一旦这一增加值被测量和排除，剩下的就是需要辨认其他多余的增加值：由许多天体发出的微波辐射重叠在CMB之上并扰乱了观测。天文学家必须辨认它们并仔细排除它们产生的所有干扰。这不是一件简单的事，但致力于这些观测的多个合作项目的部分参与者认为他们如今掌握了该问题的主导权。

这很重要，因为事实上大爆炸模型并未预言一个完美的均质性：CMB应该几乎是各向同性的，但它却并不完全如此！重组时宇宙不可能是完全均质的（即完美各向同性的CMB），而没有任何密度的变化。事实上，如果是这种情况，物质就永远不会（随之）开始冷凝过程。然而这一（引力不稳定性）过程正是恒星和星系逐渐形成的源头。要启动这一过程，重组时期一开始就要存在微弱的非均质性。

模型于是预测，天空中某些区域在CMB图像中应该显示出比其他区域更热。这正是由COBE卫星首先通过观测所证实的（见136页卡片），而后科学家们通过进一步的工作获得了更准确的数据：在天空的不同区域间，CMB温度可以有约千分之一度的区别。这些各向异性在不同层次根据统计分布观察得到（统计分布数据则预示了大爆炸模型）。又一个对大爆炸理论的额外证明！各向异性显示了物质的波动，这一波动构成了未来宇宙结构的“萌芽”……

图15：引力不稳定性

对于这些微弱的各向异性的精确研究得出了让人着迷的结论。它们的分布不仅让我们了解了重组时期物质的波动，也对时空的整体几何形状有了了解：它们向我们提供了又一种测量这一几何形状的补充方法。与其他结论一道，它们让我们能够精确估计宇宙的不同特性。这是因为光线的传播（宇宙光学）取决于时空几何形状：根据不同的曲率，所有的遥远天体，以及CMB所在的不同区域，都能变形、扩大、收缩、扩充等等！各向异性的细节揭示了例如空间曲率非常小甚至为零的情况（即人们所说的“平坦宇宙”），而这一曲率的所有数值理论上说都是可能的。

对各向异性的观测同样也告诉了我们宇宙所包含的内容。它们的特性实际上取决于物质-能量整体的总数量和特性。是物质-能量通过爱因斯坦方程式产生了时空（几何）弯曲。例如我们能因此得出物质（包括可见和不可见成分）的平均密度；重子成分，即普通物质的密度；宇宙学常数的存在……而这一切都与其他类型观测为我们提供的估值相符。宇宙学家将这一模型称为“和谐模型”。

对各向异性的分析同样让我们能够验证关于宇宙结构（星系和星团）形成过程的不同理论。最后，某些CMB上留下的细节可以证明重组之前发生的过程，后者应该在背景辐射上留下了细微的印记。总之，CMB还远没有展示出它所有的秘密！

[1] 热力学平衡（équilibre thermodynamique）指一个系统在没有外界影响的条件下，各部分的能量、体积等宏观属性长时间内不发生变化的状态。

[2] 如前文所示，法语称“宇宙背景辐射”，没有“微波”义。