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「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……」 
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。我曾经设想以它为主人公，讲述这一系列的事件。然而只是开了个头，搁笔至今。这次截取光子旅途中的一个片段，介绍一下苏尼亚科夫-泽尔多维奇效应（the Sunyaev-Zel’dovich effect，简称SZ效应）。SZ效应是由前苏联科学家苏尼亚科夫和泽尔多维奇提出的[原始论文1-4，综述5-7]。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（图一）。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（电子与光子碰撞，进而交换能量、动量的散射过程）。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。 
微波光子的天幕，基调是大块大块的灰与白（图二）。低频（小于220GHz）微波天幕上，黑色珍珠星罗棋布。这些珍珠，是宇宙中最大的维力化结构—星系团，它们的质量高达几百万亿个太阳质量。星系团中存在大量（~1072）的炽热（温度约1千万度）电子。它们在悠远的宇宙里惹是生非，自由散漫、横冲直撞。它们一会儿在离子身边“玩飙车、玩漂移”，发出耀眼的X射线；一会儿踢打光子，乐此不疲，以至于每100个穿过星系团的光子就会有一个遭殃。这些电子身强力壮，把光子踢到了高频微波天幕上，在低频微波天幕上留下了一个个的黑色珍珠（图二）。在150GHz的微波天空中，这些珍珠最为漆黑“闪亮”（图二、图四）。然而到220GHz的时候，这些珍珠消失了。再到更高频率，这些珍珠将变成白色，再次显现。原因是被电子踢跑的低频光子虽然跑到了高频，但总数并没有改变。这个效应，就是热SZ效应。在星系团位置处，该效应造成的微波背景温度下降（decrement），达到几百微开尔文（uK）,大大超过了原初温度涨落不到一百微开尔文的典型值。它是如此的显著，以至于约40年前就被探测到了。要知道这时候原初宇宙微波背景温度涨落还没被发现呢！ 
图二：ACT望远镜148GHz宇宙微波背景天图[8]。左图黑色（白色）代表低于（高于）宇宙微波背景平均温度，最大值为正负300微开尔文(uK)。黄色圆圈是通过热SZ效应探测到的星系团。其中信噪比最高的为右下角星系团，如右图(左图经过降噪处理后得到，非简单放大)。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。苏尼亚科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”。它们告诉宇宙学家星系团的数目与演化，指引他们测量暗能量和检验广义相对论。然而更多的信息隐藏在黑白变幻之间。那些一度左右的大块黑白区域（图二），是产生自宇宙婴儿期（38万年）的宇宙微波背景温度涨落（primary CMB anisotropies）。只有最大最亮的黑色珍珠，才能在这个芜杂的背景中显现出来。如果能够把它们统统去除，我们就能发现黑色珍珠外弥散的暗晕、珍珠之间细细的黑线、还有更加弥散的黑色迷雾。这种热SZ效应是弥散在星系团外围、星系之间（星系际介质、intergalactic medium）和星系外围（circumgalactic medium）的自由电子造成的。跟星系团中的电子比起来，它们密度低，温度低，但是胜在数量大、无处不在。大部分的宇宙微波背景光子不会穿过星系团，不会被星系团中的电子散射。但是这些光子碰到星系之间电子的概率会高两个量级。事实上，高达5%的光子会被这些电子散射。要知道我们的宇宙中微波背景光子的数目是电子的10亿倍，所以这些电子在逆康普顿散射的岗位上实在是兢兢业业。感谢它们，我们可以进行宇宙中重子物质的人口普查（图三），从而解决困扰天文学家多年的“失踪重子”问题：这些电子，有多少生活在星系边缘、坐看外流与内落？又有多少生活在星系之间的广阔宇宙空间里？这种热SZ效应，也指引我们探索电子力量的来源。引力驱使着宇宙中的结构从小到大形成，也驱使着其中的物质相互碰撞、把引力能转化为热。这个过程有多大贡献？星系中心的超大质量黑洞吞噬物质、产生的能量有多少能够加热星系外的物质？星系里的超新星爆发，又起多大作用？这些基本天体物理过程，都在SZ效应的天空中留下蛛丝马迹。 
图三：普朗克卫星测量的热SZ天图（y-map，[9]）,中心分布为北银极和南银极。该图给出的是宇宙中热电子的“人口普查”，颜色代表视线上所有电子热压强的总和。北银极附近的彩色斑块是Coma（后发座）星系团和Virgo（室女座）星系团。有时候，即使是在低频天空中，我们也会看到白色的小珍珠、白色的细线、白色的迷雾。这是运动学SZ效应（kinetic/kinematic SZ effect)。因为这些自由电子，虽然自由散漫，却终究逃脱不掉引力的遥遥驱使，不得不以每秒几百千米的速度，集体行进。这种集体运动（bulk flow/motion）比星系团电子的热（随机）运动小2个量级。但是它们产生的SZ效应，只比热SZ效应小一个量级，因为不同方向热运动的效应相互抵消了很多。这种集体运动是宇宙结构形成的产物，意味着宇宙中存在超越星系团尺度（千万光年）的宇宙大尺度结构，意味着上亿光年尺度的物质聚集。这种在传统的大爆炸宇宙学中“违反”因果律的存在，一直到70年代末、80年代初才被观测证实，并被暴胀理论解释。但是苏尼亚科夫和泽尔多维奇早在1972年，就探讨了由此导致的运动学SZ效应。运动学SZ效应的测量，要比热SZ效应困难很多。一个原因是其信号比热SZ效应微弱。在目前的主要观测频段（~100GHz），热SZ效应总是造成微波背景温度降低。然而运动学SZ效应则依赖于电子团块的整体速度方向：朝向我们运动时，温度升高；背离我们运动时，温度降低。视线上不同电子团块的效应相互削弱。然而更重要的原因在于，它缺少热SZ效应随频率“变色”的特性。因此，它被淹没在primary CMB的涨落之中，一直到今天都缺乏确凿的直接观测证认。然而，对它的观测回报也将非常丰厚。它将告诉我们物质如何聚集、暗能量如何演化、引力如何加速，也将告诉我们宇宙如何从“黑暗时代”重回光明，第一代恒星和星系如何形成，紫外线和X射线如何穿梭、电离。下一代高分辨率、高灵敏度观测项目，有望实现运动学SZ效应的精确测量和宇宙学应用。图一展示，如果没有逆康普顿散射，我们接收到的宇宙微波背景光子都来自我们的“最后散射面”（last scattering surface），即我们今天接收的光子开始自由飞行的球面（图一大圆，非常接近可观测宇宙的边缘）。有了逆康普顿散射，我们接收到的小部分（约5%）光子来自于其他的最后散射面（例如图一小圆），也就是远处电子在过去时刻感受到的最后散射面。这些最后散射面，是宇宙不同区域、不同时刻、不同角度的影像，我们本来无从获知，因为它们发出的宇宙微波背景光子或者永远不会到达地球，也或许早已飞过地球。但是SZ效应改变了这一切。通过宇宙中无处不在的电子和它们的逆康普顿散射，光子方向改变，误入人间，带来了这些独特视角里的宇宙影像。这等价于我们能够在宇宙（大圆里）任何区域、（再电离后的）任何时刻、任何角度做观测，简直超越了最狂野想象中的宇宙时空穿梭机。笔者提出的线性运动学效应（linear kSZ effect）及其对哥白尼原理的证实和永恒暴胀的检验[10]，正是基于这些独特视角的宇宙影像。而导致该效应的，有的是电子相对于宇宙微波背景的“真实”运动，虽然这些电子跟其他物质并没有相对运动；有的则是“虚拟”运动——来源于电子看到的最后散射面上的偶极各向异性，而电子根本不动。这种独特视角，对于检验宇宙的均匀性（哥白尼原理）和宇宙起源机制，堪称利器。例如一个相对于我们球对称、但是沿视线方向物质分布不均匀（违反哥白尼原理）的宇宙，本来因为我们只能从地球观测而很难证伪。但是对于远处电子而言，它看到的分明是一个存在显著各向异性的最后散射面。 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（图四）、幅度、空间分布与时间演化。 
图四：星系团热SZ效应、运动学SZ效应、相对论性SZ效应与原初微波背景辐射强度的比较，摘自[7]。注意图中展示的不是温度变化，而是对应的辐射强度变化。
SZ效应的概念，是苏尼亚科夫和泽尔多维奇在1969年到1980年间提出的。1969年，他们阐明了逆康普顿散射影响宇宙微波背景的一般物理过程[1]。1970年，他们探讨了低红移热自由电子的影响[2]。1972年，他们正式提出了星系团的热SZ效应和运动学SZ效应[3]，这篇论文是最常引用的热SZ效应“原始”论文。1980年，他们进一步研究了运动学SZ效应[4]，这篇论文也是最常引用的运动学SZ效应“原始”论文。60年代到70年代还是宇宙学的蛮荒时代，然而这两位宇宙学先驱和巨人，已经透过重重迷雾，揭示出了SZ效应的存在、物理与应用。经过了70年代的探索性观测，80年代OVRO（Owens Valley Radio Observatory）40米单口径望远镜，VLA（Very Large Array）、BIMA（Berkeley-Illinois-Maryland Array干涉阵列等已经成功观测到了已知星系团的热SZ效应。目前，已有超过20项观测设备实现了成功观测。尤其是新世纪以来，以SPT（South Pole Telescope）、ACT（Atacama Cosmology Telescope）、普朗克卫星为代表的项目，实现了大天区、高灵敏度、多波段的SZ巡天观测。这些巡天项目通过热SZ效应发现了超过两千个星系团；发现了随机天区中由弥散星系际介质贡献的热SZ效应；获得了全天或上千平方度天区的热SZ天图，以高信噪比测量了热SZ效应功率谱、甚至探测到了其非高斯性（高阶统计）。这些观测，一方面得益于更高的巡天速度和灵敏度，一方面得益于多波段观测和90-150GHz灵敏区间的覆盖。因为热SZ的特征频率依赖，通过多波段观测，可以很好得跟原初宇宙微波背景分离开来。相反的，运动学SZ效应，因为与原初微波背景相同的频谱，以及更小的幅度（~0.001%或更小），其直接探测一直未有显著突破。但是通过星系巡天的帮助和大尺度结构互相关分析，运动学SZ效应也在过去十年里被多次间接探测到了。关于SZ效应的物理、观测和应用，可以参考综述[5-7]。宇宙微波背景一直是宇宙学研究的富矿。在微波背景平均辐射、黑体谱、各向异性、E模偏振、引力透镜B模偏振陆续发现之后，发现原初引力波B模偏振和非黑体谱（spectral distortion）、精确测量SZ等次级效应成为了该领域的首要目标。升级版的ACT（advanced ACT-pol）、SPT（SPT-3G）、在建的Simons observatory、规划中的第四代地面CMB实验（CMB S4）和空间CMB实验，将显著提升SZ效应的观测，发现十万量级的星系团等。我们国家在阿里地区开展的原初引力波观测项目（AliCPT），也有望在升级后开展北半球高精度地面SZ观测。该效应，作为宇宙大尺度结构的一种体现，也与我国空间站望远镜观测的星系分布和弱引力透镜存在空间关联，适合协同研究。SZ效应在二十几年前我读博期间已成为宇宙学主攻方向，更在过去5到10年取得了多项巨大观测突破，但是在国内一直到今天都是小众方向。然而，宇宙信使已入人间，蓬山不远，跂予望之，谨以此文，介绍苏尼亚科夫-泽尔多维奇效应。 作者简介：上海交通大学物理与天文学院天文系教授、李政道研究所天文部兼职研究员。主要研究领域为宇宙学，研究重点为宇宙大尺度结构及其在基础物理中的应用。
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