「独自旅行的日子太久了,我已经忘记了自己的确切年龄。很可能137亿岁,也可能是140亿岁,或者130亿岁。不过有什么关系呢?我一出生就开始奔跑,见识了一路的风景。我看到宇宙从一片光明陷入无边黑暗,后来无边黑暗中出现了星辰。你知道,对于黑暗中的旅行者来说,这些夜幕里的萤火,是多么令人欣慰!可是我还来不及打招呼,它们就一个个变成了壮丽的焰火,然后迅速消失在黑暗的深渊里……」——《一个光子的旅行》
上面提到的这位光子,就是大名鼎鼎的宇宙微波背景辐射(CMB)光子。在宇宙约38万岁、也就是距今约138亿年的时候就已经产生了。宇宙微波背景辐射光子几乎不被物质吸收、有时被散射、偶尔会迷路,但却永远奔跑、无处不在。它见证了宇宙从复合/解耦、黑暗时代、重回光明的再电离、星系形成与演化、宇宙加速膨胀等所有重大历史过程,是迄今为止最为信赖的宇宙信使,在标准宇宙学模型的建立中居功厥伟。
SZ效应是由前苏联科学家苏尼亚耶夫和泽尔多维奇提出的。按理说这位光子本来要飞向宇宙的另一头,在某个时刻从离地球极远的地方遥遥掠过,永远也察觉不到地球的存在。然而路途上的一枚电子却改变了它的命运。这枚电子拦腰一击,光子晕头转向。又经过了漫长的岁月,来到太阳系,它的视野中出现了一个暗淡蓝点。几个小时后,它遇到了一架巨大的望远镜,从此为人类所知。
这枚电子就是宇宙中无处不在的自由电子,它对光子的拦腰一击就是物理上的逆康普顿散射。而暗淡蓝点就是我们“生于斯、歌于斯”的地球,这个说法还是因飞至太阳系边缘的旅行者一号回望地球的照片和天文学家卡尔·萨根而闻名。自70-80年代开始,射电望远镜就捕捉到了这些光子。它们因为逆康普顿散射“误入人间”,带来了来自宇宙深处的独特信息。
宇宙学家在冰冷的南极点极夜里、在干燥的智利沙漠中、在一百五十万公里远的L2拉格朗日点上,通过各式各样的望远镜,发现了超过2000颗这样的黑色珍珠。苏尼亚耶夫和泽尔多维奇告诉我们,珍珠越大、越黑,则电子越多、越热,星系团越庞大。星系团是宇宙中稀有的结构,不易搜寻,尤其是星系团的光学和X射线辐射随距离增加而急剧衰减,因此遥远星系团更难探测。
然而,令人惊喜的是,这些SZ效应的黑色珍珠,竟然无视宇宙的山长水远、沧海桑田,总是光彩熠熠、无远弗届,是我们寻找高红移星系团的指路“明灯”。
SZ效应的理论与观测:我们用稍稍严谨些的语言描述一下SZ效应。宇宙再电离过程(宇宙诞生约5亿年)之后,绝大部分的物质被电离,产生了大量运动的自由电子。它们通过逆康普顿效应散射宇宙微波背景光子,改变了光子的传播方向、更改变了它们的能量,从而造成了天空中不同方向的微波背景温度变化,这就是SZ效应。
依赖于电子的速度分布,SZ效应也体现为不同的形式,包括热SZ效应(thermal SZ effect,来源于电子热运动)、运动学SZ效应(kinetic/kinematic SZ effect,来源于电子整体运动)等,具备不同的频率依赖、幅度、空间分布与时间演化。