美國貝爾電話公司的無線電工程師彭齊亞斯和威爾遜，當時利用這架天線測量銀河係平麵以外區域發射的射電波噪聲的強度。這裏所說的噪聲與我們平常所說的那種聲音嘈雜的噪聲不同，它指的是通信、廣播中影響正常信息傳遞的各種無規則的信號，由於射電噪聲的強度與射電噪聲源的溫度有一定的對應關係，所以用溫度來表示射電噪聲的強度。這種測量非常困難。在這以前，其他科研人員已經發現了一種無法解釋的射電噪聲，它在天空的任何方向都存在，他們以為這種噪聲是由天線本身產生的，所以稱它為“過剩噪聲”。為了解決這個問題，彭齊亞斯和威爾遜首先改進了天線，增加了一個專門裝置，以便消除這些過剩噪聲的影響，可以直接用來測量天線接收到的射電波功率。
接著他們又改變了接收波長，使天線接收7.35厘米的射電波，因為他們預計在這個波長上，銀河係的射電噪聲應該是可以忽略不計的。但出乎意料的是，1964年春天，彭齊亞斯和威爾遜在這個波長（屬於微波波段）收到了一個很微弱的微波噪聲信號，而且無論天線指向哪個方向，總是能接到這個微波噪聲，並且各方向上的信號強度都是一樣的，也不隨晝夜、季節而變化，這種噪聲信號非常穩定。盡管他們對天線進行了徹底的檢查、修理、清掃，消除了一切可能的缺陷，天空背景輻射的噪聲依然存在。經過反複試驗，證明這種噪聲不是儀器本身的產物，也不是由地球或某個天體發出，經過計算，彭齊亞斯和威爾遜求得他們收到的微波噪聲的等效溫度是3.5K。他們不知道這是什麼原因造成的。
有一天，彭齊亞斯在電話中同麻省理工學院的射電天文學家伯克談了這件事，伯克告訴他找一下普林斯頓大學的物理學家迪克，也許他能告訴彭齊亞斯一些值得注意的觀點。當時，這位物理學家帶領的一個課題組，為證實多年以前阿爾法和赫爾曼的預言正著手設計一台探測器，來探測大爆炸留下的殘餘輻射。雙方於是開始溝通，1965年初兩個研究小組進行了互訪。他們終於相信，彭齊亞斯和威爾遜所發現的這種消不掉的微波噪聲，正是迪克教授等人預期和準備尋找的東西。他們隻是把彭齊亞斯和威爾遜所說的輻射的溫度由3.5K訂正為2.7K，後來簡稱為3K微波背景輻射。1965年他們正式宣布了這項發現，雙方各自在《天體物理》雜誌上發表文章，彭齊亞斯宣布他們的觀測結果，迪克等對此做出宇宙學上的解釋。後來，在微波段其他波長也觀測證實有3K輻射（現今測得的精確值為2.76K），現在習慣上便稱它為“3K宇宙背景輻射”。
“3K宇宙背景輻射”是20世紀60年代天文學上的四大發現之一，它使天文學家相信：宇宙背景輻射是宇宙原始火球大爆炸之後的輻射遺跡。因而給予大爆炸宇宙學以有力的支持，為人類認識宇宙做出了重要貢獻。為此，它的發現者彭齊亞斯和威爾遜，榮獲1978年諾貝爾物理學獎。瑞典科學院在頒獎的決定中說，“這是一項帶有根本意義的發現，它使我們能夠獲得很久以前在宇宙創生時期所發生的信息”。