宇宙微波背景（CMB）是充满宇宙、分布近乎均匀的电磁辐射，如今主要在微波波段被观测到。它是大爆炸模型所描述的早期高温阶段留下的遗迹。这些辐射最后一次与物质发生强烈相互作用，是在宇宙开始膨胀约38万年之后。其频谱、温度变化和偏振为现代宇宙学提供了关键证据，也详细记录了恒星和星系形成之前的宇宙状况。(esa.int)
物理起源
早期宇宙中存在高温等离子体，其中的光子不断被自由电子散射。频繁的散射使辐射无法自由传播很远的距离。随着宇宙膨胀，等离子体逐渐冷却，直到电子能够与原子核（主要是质子）结合，形成中性原子。这一转变称为复合（宇宙学），发生时的温度约为3,000开尔文。自由电子数量减少，使宇宙变得基本透明，辐射因而得以几乎不受阻碍地传播。(esa.int)
因此，宇宙微波背景记录的是原本已存在的辐射在传播方式上的转变，而不是宇宙诞生之初产生的一次闪光。复合与光子退耦密切相关：前者指中性原子的形成，后者则指辐射不再频繁地与物质发生相互作用。此后的宇宙膨胀通过宇宙学红移拉长了光子的波长，使原本温度高得多的辐射变成了今天观测到的微波背景。(esa.int)
频谱与温度
宇宙微波背景的频谱与黑体辐射谱极为吻合，呈现出热辐射特有的分布。其平均温度约为2.725开尔文。宇宙背景探测者卫星搭载的远红外绝对分光光度计（FIRAS）的测量结果，证实了这种吻合在很宽的频率范围内都成立。这一频谱有力地支持了早期宇宙处于高温、热平衡状态的观点，而不支持这些辐射源于普通天体辐射的累积。(lambda.gsfc.nasa.gov)
平均频谱与温度的角分布包含不同的信息。前者用于检验辐射的热历史，后者则揭示其偏离均匀分布的微小变化。尽管从各个方向看，背景辐射都几乎相同，但其固有温度涨落的相对幅度通常仅约为十万分之一。这些微小变化可以用灵敏的微波仪器测得，并反映了原初物质与辐射的分布状况。(esa.int)
发现与主要观测
20世纪40年代的理论研究将早期高温宇宙与通过核合成产生轻元素的过程联系起来，并预言会有背景辐射遗留至今。乔治·伽莫夫、拉尔夫·阿尔弗和罗伯特·赫尔曼为这一理论的发展作出了贡献。1964年，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在新泽西州使用喇叭天线探测到一个无法解释的微波信号；这项发现于1965年发表。他们因发现这一背景辐射而获得了1978年的诺贝尔物理学奖。(esa.int)
美国国家航空航天局（NASA）于1989年发射了宇宙背景探测者（COBE）卫星。其仪器确认了背景辐射的黑体频谱，并探测到原初温度各向异性，相关结果于1992年公布。约翰·马瑟和乔治·斯穆特因这些成果获得了2006年的诺贝尔物理学奖。NASA于2001年发射的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）更细致地测量了这些涨落。欧洲空间局（ESA）于2009年发射的普朗克空间天文台则凭借更高的角分辨率和更宽的频率覆盖范围，进一步拓展了温度与偏振的测量。(nobelprize.org)
各向异性与宇宙学信息
温度各向异性蕴含着早期宇宙中密度差异、引力场和运动共同作用的信息。在退耦之前，普通物质和辐射的行为近似于一种耦合流体。引力将物质拉向密度较高的区域，而辐射压力则抵抗压缩。两者的竞争产生了声学振荡，在宇宙微波背景的角功率谱中留下了一系列峰。角功率谱描述的是涨落强度在不同角尺度上的分布。(esa.int)
这些峰的位置和相对高度可以约束宇宙的几何形态、普通重子物质的丰度，以及暗物质的密度。暗物质通过引力发挥作用，但并不参与同样的光子与物质之间的紧密耦合振荡。特征声学尺度充当了标准尺，将退耦之前的物理过程与膨胀宇宙中的距离联系起来。(esa.int)
对这些观测结果的解释需要借助宇宙学模型。在空间平直的Λ冷暗物质模型下，普朗克项目2018年的分析推断出宇宙膨胀率为每百万秒差距 千米每秒。这是依据早期宇宙观测、依赖于模型的推断，而非对近邻星系退行速度的直接测量。这些数据还可以约束原初涨落以及包括中微子在内的相对论性粒子的性质。(arxiv.org)
偏振与后期变化
宇宙微波背景中有一小部分表现出偏振，这是辐射被电子散射时产生的。其全天分布图样可以分解为E模和B模。E模测量提供了有关原初涨落和后期散射的额外信息。沿途物质产生的引力透镜效应会改变光子的传播路径，并将部分E模图样转化为B模。(esa.int)
一些宇宙暴胀模型预言存在原初引力波，它们也会产生B模偏振。要将这一信号与引力透镜效应及银河系尘埃的偏振辐射区分开来，就需要开展多频率观测。2015年公布的普朗克—BICEP2—Keck联合分析表明，考虑尘埃辐射后，此前宣称发现的原初信号并不可靠。(esa.int)
观测到的背景辐射也携带着宇宙后期历史的信息。早期恒星和星系发出的辐射使气体重新电离，让自由电子得以再次散射部分宇宙微波背景光子。星系团中的高温电子通过逆康普顿散射向背景光子传递能量，产生苏尼亚耶夫—泽尔多维奇效应。这些变化使宇宙微波背景不仅能够探查早期宇宙，也能探查辐射沿途经过的物质。(esa.int)