宇宙也在變熱嗎？與宇宙的演化有關

近期，天體物理領域期刊刊登了一項研究成果，通過對比不同時期宇宙中星系團周圍的氣體溫度，發現在過去100億年間，星系團周圍氣體的溫度增加了將近10倍，達到現在約200萬攝氏度。

那么，宇宙也在變熱嗎？實際上，宇宙浩瀚無垠，絕大多數空間空無一物，溫度也極其寒冷。然而，在一些宇宙天體如太陽附近，氣體溫度卻可高達百萬攝氏度，上文提到的溫度變化研究也是指位于星系團周圍的類似高溫區域。宇宙升溫與地球上的溫室效應沒有關系，而是與宇宙的演化有關。人們發現這個秘密，經歷了不斷探索的過程。

1924年，美國天文學家哈勃經過觀測發現，原來被普遍認為處于穩態的宇宙竟然在不斷膨脹，大爆炸宇宙論隨之誕生。根據大爆炸理論，宇宙在138億年前經歷了一次大爆炸后誕生，隨后持續膨脹。在宇宙誕生早期，光子和電子之間頻繁碰撞，無法逃脫出去。到宇宙年齡大約38萬年時，電子和離子結合產生了中性原子，光子得以“脫耦”傳到遠處。隨著宇宙的膨脹，這些早期的光子波長不斷被拉長，現在已變到微波波段，形成“微波背景輻射”。

1964年，美國貝爾實驗室的兩名工程師在測試天線時，發現了來自宇宙的微波背景輻射。這次發現是對大爆炸宇宙學的一個直接驗證，兩人因此獲得1978年諾貝爾物理學獎。此后，憑借各個波段的觀測設備，人們對整個宇宙的誕生及演化有了更清晰的認識。

在“脫耦”之后，隨著宇宙的膨脹和冷卻，光子平均溫度一直在降低，目前充斥在宇宙空間中的微波背景輻射溫度大約只有-270攝氏度，這是宇宙中大多數空曠區域的溫度。然而，宇宙一開始就存在密度不均勻性，密度高的地方慢慢吸引其他地方的暗物質和正常物質，誕生了第一代星系和恒星。這個過程發生在宇宙各地，最終形成一種由不同星系構成的網狀結構，被稱為“宇宙網”，連接不同節點的結構被稱作“大尺度纖維”，而網絡結構圍成的鮮有星系存在的區域叫做“空洞”。

目前，許多天文巡天項目和計算機數值模擬結果都已經看到這種結構，并發現不斷有氣體被吸引聚積到這些纖維狀的結構上去。在這個過程中，由于勢能轉化，氣體的速度變快，彼此相互碰撞，最后轉化成氣體的熱能。隨著時間的推移，氣體的溫度會不斷增加，這就是宇宙大尺度結構形成理論中的一個推斷。

最近發表的這個結果，是結合普朗克衛星和斯隆數字巡天項目的觀測數據，通過研究“蘇尼亞耶夫—澤爾多維奇效應”，即低溫微波背景輻射光子和星系周圍的高溫熱電子之間發生的能量交換過程，成功推算出宇宙不同時期氣體中電子的溫度。正如科學家通過眾多的觀測事實來驗證廣義相對論理論的正確性一樣，這個觀測結果對于宇宙大尺度結構理論是一個很好的驗證，說明人們目前對宇宙圖景的理解應該是可靠的。