最初,輻射似乎是絕對均勻的,與方向無關(guān)。即使把我們自己的星系所發(fā)出的微波輻射造成的前景輝光減去,在宇宙微波背景上較亮的天區(qū)看上去也和其他部分幾無二致。但我們今日看到的宇宙卻是明顯“結(jié)塊”的。星系組成星系團(tuán),星系團(tuán)又構(gòu)成超星系團(tuán),而它們之間隔著巨大的距離。這些地方正由諸如英澳2度視場巡天計(jì)劃和斯?。⊿loan)巡天計(jì)劃進(jìn)行詳盡的檢查,而且已經(jīng)延伸到距離地球10億光年之遙的地方。無論從這些觀測結(jié)果中我們繪制出怎樣的宇宙畫像,毋庸置疑的是它絕不是均勻的,所以很清楚有什么地方搞錯(cuò)了。在看上去均勻的早期宇宙里,一定隱藏著生成我們今天看到的不均勻結(jié)構(gòu)的原因。
宇宙背景輻射是當(dāng)今天體物理學(xué)最集中研究的對象,它還能告訴我們很多東西。它標(biāo)志著宇宙中最早結(jié)構(gòu)的景象。最近對于宇宙微波背景更為細(xì)致的研究揭示出小于萬分之一度的溫度起伏。這個(gè)差異很微小,但正是形成我們今天看到的周圍結(jié)構(gòu)的起因。通過溫度來測量物質(zhì)密度差異的想法聽上去有些奇怪,卻有充分的理由。就像宇宙背景探測(COBE)衛(wèi)星顯示的那樣,在發(fā)出宇宙微波背景時(shí)的物質(zhì)密度不是絕對均勻的。在比平均值更為密集的區(qū)域內(nèi),引力會吸引更多的物質(zhì),這種擠壓會把這個(gè)區(qū)域略微地加熱,這就是我們?nèi)ヌ綔y并測量到的溫度起伏。
如果沒有這些漲落來讓引力發(fā)揮作用,那么從一個(gè)在產(chǎn)生宇宙微波背景時(shí)完全均勻的宇宙中形成現(xiàn)在看到的這種非均勻的、有疏有密的宇宙的歷程就不可能完成。但是,空間中漲落的尺度也十分重要。對宇宙微波背景的觀測得到的全天圖中可以看出,每個(gè)藍(lán)色(略冷)和紅色(略熱)的區(qū)域大小是很相似的,平均起來是1度寬,就是滿月視角的兩倍。根據(jù)以上事實(shí)經(jīng)過縝密思考,宇宙學(xué)家們確定宇宙是平坦的。其理由是,我們的理論能夠預(yù)言早期宇宙中漲落的實(shí)際物理尺寸,將期望值與實(shí)際值相比較,可以告訴我們光線自從源頭發(fā)出后被彎折了多少,這取決于宇宙中物質(zhì)的數(shù)量:物質(zhì)越多,光線彎曲得越厲害。在封閉宇宙中,光線彎曲較顯著,造成漲落區(qū)域看上去比預(yù)計(jì)的要大;而在開放的宇宙中,物質(zhì)較少,所以漲落區(qū)看上去會小很多。事實(shí)上,將仿真結(jié)果與實(shí)際情況比較后發(fā)現(xiàn)宇宙恰恰含有臨界數(shù)量的物質(zhì),因而是平坦的。
這種討論既讓宇宙學(xué)家們興奮也令他們沮喪。興奮的是,對微波背景的研究不僅能夠告訴我們輻射發(fā)出的那個(gè)極早時(shí)刻的情況,還能揭示此后宇宙的整個(gè)歷史。但問題是要想對早期宇宙得出確切的結(jié)論,就必須排除后期各種因素的影響,而這是很難做到的。