Bức xạ nền vi sóng vũ trụ là bức xạ điện từ được sinh ra trong thời kỳ sơ khai của vụ trụ, sau vụ nổ lớn Big Bang. Hầu hết các nhà khoa học ngày nay cho rằng, bức xạ nền vũ trụ cùng với sự dịch chuyển đỏ là những bằng chứng tốt nhất chứng minh cho tính đúng đắn của mô hình Vụ nổ lớn.
Đôi khi những khám phá khoa học tuyệt vời nhất lại đến vào lúc người ta ít mong đợi nhất, bởi vì chúng ra đời nhờ sự tình cờ mà không phải do có ý định từ trước. Một ví dụ điển hình là trường hợp của hai nhà vật lý Arno Penzias và Robert Wilson làm việc tại phòng thí nghiệm của công ty Bell Telephone (Bell Labs) ở New Jersey, Mỹ. Trong khi nỗ lực lập bản đồ tín hiệu vô tuyến của dải Ngân hà, họ vô tình trở thành những người đầu tiên phát hiện bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB). Khám phá của họ giúp các nhà nghiên cứu dự đoán về quá trình hình thành vũ trụ diễn ra khoảng 14 tỷ năm trước cũng như làm thay đổi toàn diện ngành khoa học vũ trụ, biến nó từ một chuyên ngành với số ít các nhà khoa học tham gia trở thành một nhánh lớn của vật lý gần như chỉ sau một đêm.
Trong thập niên 1950, các nhà khoa học đưa ra hai giả thuyết khác nhau về nguồn gốc của vũ trụ. Đầu tiên là Lý thuyết Trạng thái Ổn định (Steady State Theory) với quan điểm cho rằng vũ trụ đồng nhất về không gian và thời gian, và nó sẽ tiếp tục duy trì như vậy mãi mãi. Giả thuyết thứ hai liên quan đến phát hiện của Edwin Hubble vào năm 1929. Trong lúc đang nghiên cứu các thiên hà xa xôi, Hubble nhận thấy một hiệu ứng thú vị. Ánh sáng do chúng phát ra có sự dịch chuyển về phía đỏ của quang phổ điện từ. Hubble lập luận điều này chỉ có thể xảy ra nếu ánh sáng truyền qua không gian đang giãn nở và các thiên hà đều đang di chuyển ra xa chúng ta theo mọi hướng. Một số ít các nhà vật lý thời bấy giờ, trong đó nổi bật nhất là George Gamow, cho rằng càng đi ngược về quá khứ thì khoảng cách giữa các thiên hà càng gần nhau, đến một thời điểm khoảng cách giữa chúng gần như bằng không. Khi đó, lực hấp dẫn khiến vật chất của các thiên hà bị nén lại tại một điểm và rất nóng. Mọi thứ trong vũ trụ đã xuất hiện từ trạng thái cực kỳ đậm đặc và nóng bỏng này sau một vụ nổ lớn, gọi là vụ nổ Big Bang.
Vào năm 1960, phòng thí nghiệm Bell Labs chế tạo một ăng-ten khổng lồ dài 15m trông giống một chiếc sừng tại Holmdel, bang New Jersey (Mỹ). Ăng-ten có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu phát ra từ một trong những vệ tinh liên lạc đầu tiên của Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) gọi là Echo. Nhưng sự xuất hiện của vệ tinh thế hệ mới Teslar vài năm sau đó đã khiến Echo trở nên lỗi thời và không còn được dùng cho các ứng dụng thương mại như dự kiến. Nắm bắt cơ hội trên, Penzias và Wilson sử dụng ăng-ten vào một mục đích xác. Họ thiết lập nó như một kính thiên văn radio để khuếch đại và đo lường tín hiệu vô tuyến của dải Ngân hà và khoảng trống giữa các thiên hà. Để làm điều này, họ cần khử nhiễu tín hiệu cho máy thu bằng cách làm lạnh nó bằng helium lỏng, đồng thời loại bỏ ảnh hưởng của sóng radar và đài phát thanh.
Tuy nhiên, khi Penzias và Wilson bắt đầu dùng ăng-ten để quét bầu trời, họ phát hiện một tiếng ồn nền (background noise) khó chịu giống tạp âm của đài phát thanh, làm cản trở các quan sát của họ. Tiếng ồn này là một loại tín hiệu đồng nhất trong phạm vi sóng cực ngắn, với bước sóng 7,35cm, và dường như nó đến từ mọi hướng.
Penzias và Wilson đã dùng nhiều phương pháp để tìm nguyên nhân gây ra tiếng ồn. Họ chĩa ăng-ten vào thành phố New York nhưng nhận thấy tiếng ồn không có nguồn gốc từ khu vực đô thị. Khi quay ăng-ten theo bất kỳ hướng nào của bầu trời thì kết quả cũng không có gì thay đổi. Nếu tiếng ồn phát sinh trong bầu khí quyển của Trái đất thì lẽ ra nó phải yếu hơn khi ăng ten hướng về thiên đỉnh và mạnh hơn khi hướng về chân trời. Do đó, giả thuyết này bị loại bỏ. Các nhà khoa học nghĩ sang một hướng khác, có lẽ là do thiết bị gặp trục trặc. Quả thật, trong quá trình kiểm tra họ phát hiện một cặp chim bồ câu làm tổ trên ăng-ten. Họ dỡ tổ và lau sạch phân chim với hy vọng có thể loại bỏ tiếng ồn. Nhưng kết quả sau đó vẫn như cũ. Vì vậy, Penzias và Wilson bắt đầu tìm lời giải thích về mặt lý thuyết cho nguồn gốc của bức xạ bí ẩn.
Cùng thời gian đó, nhà vật lý Robert Dicke tại Đại học Princeton (Mỹ) đề xuất một giả thuyết mới cho rằng, nếu vũ trụ được tạo ra từ vụ nổ Big Bang thì một bức xạ nền có nhiệt độ khoảng 3 độ Kelvin sẽ tồn tại ở khắp nơi trong vũ trụ.
Trong khi Dicke đang tìm kiếm bằng chứng thực nghiệm để để hỗ trợ lý thuyết của mình thì Penzias và Wilson liên lạc với phòng thí nghiệm của ông để nói về phát hiện của họ. Dicke đã đến thăm Bell Labs và xác nhận rằng tín hiệu vô tuyến bí ẩn thực sự là bức xạ nền vũ trụ - tàn dư còn sót lại sau vụ nổ Big Bang. Do vũ trụ đang giản nở nên bước sóng của ánh sáng tăng dần theo quãng đường mà nó di chuyển. Thứ ánh sáng chói lọi từ những thời khắc đầu tiên của vũ trụ [vụ nổ Big Bang] bị dịch chuyển dần về phía đỏ và giờ đây chúng ta quan sát được dưới dạng sóng cực ngắn của phổ sóng điện từ.
Hai nhóm nghiên cứu tại Bell Labs và Đại học Princeton sau đó công bố kết quả của họ cùng lúc trên tạp chí Astrophysical Journal Letters. Năm 1978, Penzias và Wilson vinh dự được nhận giải Nobel Vật lý cho thành tựu khám phá bức xạ nền vi sóng vũ trụ.
Hơn ba thập kỷ sau, NASA phóng Vệ tinh Thăm Dò Bức xạ nền Vi sóng Vũ trụ (COBE) lên quỹ đạo để lập bản đồ chi tiết bức xạ nền vũ trụ, cũng như khảo sát các biến động nhỏ chỉ có thể quan sát bằng những thiết bị tinh vi. “Bằng cách nghiên cứu những biến động này, giới khoa học có thể tìm hiểu nguồn gốc của các thiên hà và xác định các thông số cơ bản của thuyết Vụ nổ lớn,” NASA cho biết.
Năm 1990, ăng-ten vô tuyến mà hai nhà khoa học Penzias và Wilson sử dụng để phát hiện bức xạ nền vũ trụ tại phòng thí nghiệm Bell Labs được công nhận là Di tích Lịch sử Quốc gia. Hiện nay, người ta trưng bày nó tại Bảo tàng Hàng không & Không gian Quốc gia ở Washington, DC (Mỹ).