微波辐射中温度波动是咋来的？现在的星系团会不会对其有影响？

热大爆炸发生时，宇宙只是由一团粒子、反粒子和辐射组成的高温物质浓汤。这时的宇宙空间曲率和物质分布几乎是平坦和均匀的（但不完全是）。因为暴胀在热大爆炸之前拉伸了整个宇宙空间，让可见宇宙的曲率为零，也让无处不在的微小量子涨落充满了整个可观测宇宙，形成了密度过高和密度过低的区域。

这时的宇宙一直在膨胀，而万有引力却想把一切都拉到一起，物质和能量密度过高的区域会吸引越来越多的物质，并试图在所有的尺度上重新让宇宙坍缩。当万有引力与膨胀之间展开撕扯斗争时，宇宙也在冷却，因为膨胀的宇宙不仅导致单位体积的物质被稀释，它还拉伸了辐射粒子，也就是光的波长。

当宇宙冷却到足以打破正反物质的对称性，多余的粒子-反粒子对湮灭，质子和中子形成稳定的原子核，最后直到宇宙可以首次稳定的形成中性原子，因为此时的辐射能量已经太低，不足以再次电离中性原子。这个时候大爆炸留下的余晖，也就是光子可以沿着直线自由的传播而不会受任何阻碍，因为之前导致光子散射的自由电子最终都和原子核结合在了一起，形成了中性原子。微波辐射光子最后的发出也被称为“最后的散射面”

此时的辐射本身是完全均匀且温度相同。但我们看到的微波辐射并不完全均匀。暴胀不仅造成了密度略高和密度略低的区域，而且在某些尺度上（尤其是较小的尺度），引力会使这些密度过高和密度过低的区域持续增长。

还记得爱因斯坦的广义相对论所提出的最重要概念吗？物质和能量的存在可以使空间弯曲。如果一个空间区域的物质密度过高（有更多的物质和更多的能量），那么这个位置的空间会被弯曲的更加严重，这意味着任何爬出这个区域的光都会发生引力红移。

因此，如果一开始所有的光线都有相同的温度，但有些区域的密度比平均值大或小，那么光线完全爬出这些区域，进入我们的眼睛会发生什么？

由于引力红移高于平均水平，密度较大的区域看起来更冷，而密度较小的区域由于引力红移低于平均水平，看起来更热。这就是所谓的非完全萨克斯–沃尔夫效应。这个效应发生在最后的散射面上，此影响是CMB波动的主要来源。

当我们看到宇宙微波背景辐射（CMB）的温度波动时，其中的冷点将对应于密度过高的区域，由于引力的作用，这些区域将在未来形成比平均水平更密集的恒星、星系和星系团。另一方面，热点是密度较低的区域，平均而言，这些区域会将更多的物质转移到密度较高的周边区域，因此会产生比平均水平更少的恒星、星系和星团。

其实它们也会对微波辐射的光子造成同样的影响，当这些原始辐射从恒星、星系、星系团的引力井里爬出来时，也会发生引力红移。毕竟就像哈勃告诉我们的那样，宇宙中充满了星系，即使在我们看来空无一物的空间区域内也充满了大量的星系。

正常情况下星系或者星系团不会对微波辐射的光子造成任何影响。因为当光子第一次落入引力井时，它被蓝移了一定的数量，而当它再次爬出引力井时，它又被红移了相同的数量！

但是，当光子落入的引力井时，有两种特殊的效应可以改变光子的能量，而且这两种效应都会影响到CMB：

星系/星系团中的气体，由于其温度和运动，会引起宇宙微波背景辐射温度的变化。这被称为苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应（分别是热分量和运动学分量），并且已经在几个星系团中被预测和检测到了。它说的主要是星系团中的高能电子会与微波辐射的光子发生作用，将一部分能量转移到光子身上，这样就会造成高能光子增加，使得微波辐射不再是理想的黑体辐射。

星系团的引力势井（无论它们是密度过高还是过低）可以在一个光子下落并逃逸的过程中，使其波长微妙的或增或减，并随时间改变其能量。这就是所谓的完全萨克斯–沃尔夫效应，它实际上是在大规模波动中发挥了作用，并且发生在最后的散射面到地球之间，因此它不是CMB的原始波动。这个效应产生的原因是，由于暗能量的加速膨胀，大规模引力势阱（超星系团）和宇宙超空洞会随着光子穿过它们的时间发生引力衰减或增强。一个光子进入一个引力势阱（超星系团）会得到能量，在光子离开时，引力势阱会被膨胀拉长和变浅，那么光子就会保留了一部分能量。同样地，光子必须消耗能量进入超空间，但当它离开稍微被压扁的势垒时，就不会把损失的能量全部收回，也就是说光子的能量会降低。

事实上，有一段时间我们很难解释微波辐射中存在一个大范围的冷点，它看起来比平均温度低了好多，在理论上不可能存在。

但是在对该区域的星系进行观察之后，我们确定在这个巨大的区域中，星系数量比平均数量少了20%，这意味着这是一个巨大的宇宙空洞，也就是上文说的超空间，由于完全萨克斯–沃尔夫效应改变了超空间的引力势阱，导致穿过这个区域的CMB光会发生额外的红移，或者比平均温度更冷。

从宇宙微波背景辐射中产生的冷点只是一个普通的冷点，而这个“超空间”又导致了这一区域的额外冷却，这只是一个普通的低密度区域。我们通过将星系地图和宇宙微波背景辐射联系起来，实际上我们可以在任何引力或天体物理效应发挥作用之前，更好地理解宇宙在它诞生时的样子！

这就是宇宙微波辐射波动的最初来源和后期星系团对波动的影响。