从安第斯山脉到时间的开始：望远镜探测到 130 亿年前的信号
科学家们首次使用地球望远镜回顾了 130 亿多年，以了解宇宙中的第一批恒星如何影响宇宙大爆炸发出的光。 天体物理学家使用智利北部安第斯山脉高处的望远镜测量了这种偏振微波，以更清晰地描绘出宇宙历史上最不为人知的时代之一，即宇宙黎明。 “人们认为这不可能从地面上完成。 天文学是一个技术受限的领域，来自宇宙黎明的微波信号是出了名的难以测量，“项目负责人、约翰霍普金斯大学物理学和天文学教授托比亚斯·梅梅尔说。 “与太空相比，地面观测面临着额外的挑战。 克服这些障碍使这项衡量成为一项重大成就。 宇宙微波的波长只有毫米，而且非常微弱。 偏振微波的信号大约是一百万倍微弱。 在地球上，广播无线电波、雷达和卫星会淹没它们的信号，而大气、天气和温度的变化会使信号失真。 即使在完美的条件下，测量这种类型的微波也需要极其敏感的设备。 来自美国的 科学家 美国国家科学基金会（National Science Foundation）的宇宙学大角度尺度勘测者（Cosmology Large Angular Scale Surveyor，简称CLASS）项目使用专门设计的望远镜来探测遗迹大爆炸光中第一批恒星留下的指纹——这一壮举以前只能通过部署在太空的技术来完成，例如美国。 美国国家航空航天局威尔金森微波各向异性探测器 （WMAP） 和欧洲航天局普朗克太空望远镜。 由约翰霍普金斯大学和芝加哥大学领导的新研究今天发表在《天体物理学杂志》上。 通过将 CLASS 望远镜数据与普朗克和 WMAP 太空任务的数据进行比较，研究人员识别干扰并缩小范围，关注来自偏振微波的公共信号。 当光波碰到某物然后散射时，就会发生 偏振。 “当光线照射到汽车的引擎盖上，你看到眩光时，这就是偏振。 为了看得清楚，你可以戴上偏光眼镜来消除眩光，“第一作者李云阳说，他是约翰霍普金斯大学的博士生，然后在研究期间成为芝加哥大学的研究员。 “使用新的通用信号，我们可以确定我们看到的有多少是从宇宙黎明引擎盖反射的光产生的宇宙眩光，可以这么说。 大爆炸后，宇宙是一团电子雾，密度如此之大，以至于光能无法逸出。 随着宇宙膨胀和冷却，质子捕获电子形成中性氢原子，然后微波可以自由地穿过两者之间的空间。 当第一批恒星在宇宙黎明期间形成时，它们强大的能量撕裂了不含氢原子的电子。 研究小组测量了来自大爆炸的光子在穿过电离气体云的途中遇到其中一个释放的电子并滑离路线的概率。 这些发现将有助于更好地定义来自大爆炸残余辉光或宇宙微波背景的信号，并形成更清晰的早期宇宙图景。 “更精确地测量这种再电离信号是宇宙的一个重要前沿微波背景研究，“约翰霍普金斯大学彭博杰出教授、领导 WMAP 太空任务的查尔斯·贝内特 （Charles Bennett） 说。 “对我们来说，宇宙就像一个物理实验室。 更好地测量宇宙有助于完善我们对暗物质和中微子的理解，中微子是充满宇宙的丰富但难以捉摸的粒子。 通过分析未来的更多 CLASS 数据，我们希望达到所能达到的最高精度。 以上次发表的研究为基础使用 CLASS 望远镜绘制了 75% 的夜空的年份，新结果也有助于巩固 CLASS 团队的方法。 “没有其他地面实验可以做到 CLASS 正在做的事情，”NSF 天文科学部的项目主任 Nigel Sharp 说，该部自 2010 年以来一直为 CLASS 仪器和研究团队提供支持。 “CLASS 团队大大改进了对宇宙微波极化信号的测量，这一令人印象深刻的飞跃证明了NSF 的长期支持产生的科学价值。 CLASS 天文台在智利北部的阿塔卡马宇航公园 （Parque Astronómico Atacama） 运营，由 Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo 赞助。 其他合作者包括维拉诺瓦大学、美国宇航局戈达德太空飞行中心、芝加哥大学、美国国家标准与技术研究所、阿贡国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、哈佛-史密森尼中心天体物理学、奥斯陆大学、麻省理工学院和不列颠哥伦比亚大学。 智利的合作者包括智利大学、智利天主教大学、康塞普西翁大学和圣康塞普西翁天主教大学。 天文台由美国国家科学基金会、约翰霍普金斯大学和私人捐助者资助。