捕捉宇宙大爆炸的“余晖”

2024-04-11 08:56:35 来源：科技日报

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宇宙微波背景辐射（CMB）被称为宇宙大爆炸的“余晖”。据英国《自然》杂志网站近日报道，栖身于智利北部阿塔卡马沙漠Cerro Toco海拔5300米处的西蒙斯天文台将于几周内竣工，其能以更精致的细节，为CMB绘制“肖像画”。该天文台灵敏度将是欧洲普朗克卫星的10倍。

天文台团队主要成员之一、美国普林斯顿大学宇宙学家乔·邓克利指出，它将为天文学家提供迄今对CMB最好的观测，并寻找源于宇宙大爆炸的引力波的“蛛丝马迹”，从而揭示宇宙暴胀的秘密。

暴胀仍是未解之谜

西蒙斯天文台耗资1.095亿美元，由5所美国大学和劳伦斯伯克利国家实验室牵头。其主要使命之一是寻找宇宙大爆炸产生的引力波在CMB中留下的痕迹。这些痕迹将为宇宙暴胀提供第一个无可辩驳的证据。2014年，位于南极的CMB观测站“第二代宇宙泛星系偏振背景成像望远镜”（BICEP2）实验团队称检测到暴胀特征，但后来发现看到的是星系尘埃。

宇宙暴胀持续时间非常短，倏忽之间，宇宙以指数级速度膨胀。科学家认为，在宇宙暴胀期间，微观尺度上的量子波动为宇宙中的大尺度结构，包括目前宇宙中星系团的分布“播撒下”种子。

许多宇宙学家认为，暴胀是赋予宇宙结构机制中最合理的那个。暴胀的性质和特性仍是未解之谜。鉴于此，科学家提出了许多理论，预测各种强度引力波的特征。

寻找宇宙暴胀确凿证据

西蒙斯天文台由四台望远镜阵列组成。其中包括三台0.4米小孔径望远镜（SAT），以及一台6米大孔径望远镜（LAT）。它们将一起绘制出每一片天空中CMB温度的细微变化，以及CMB在太空传播时辐射电场优先摆动的方向。

三台SAT望远镜将集中观测南部20%的天空区域，研究CMB偏振场中的大规模漩涡，科学家有望在偏振图中发现B模式，这是指示宇宙暴胀的信号。

LAT则将以更精微的分辨率绘制40%的天空，并记录CMB的温度波动及CMB的偏振。参与普朗克探测计划及其他CMB项目的宇宙学家能够通过绘制这些温度波动的强度，以及与其所跨天空的面积来提取大量信息。

LAT提供的数据也可以帮助科学家在小型望远镜绘制的低分辨率偏振图像内探测到宇宙暴胀的信号。美国宾夕法尼亚大学宇宙学家、西蒙斯天文台联合主任马克·德夫林解释说，LAT捕获的数据对于将B模式与银河系中的尘埃等产生的虚假信号分离开来至关重要。这项实验探测偏振模式的敏感度将是此前测量方法的6倍。

身负多项使命

寻找宇宙暴胀信号只是西蒙斯天文台的目标之一。团队计划从该天文台获取的高分辨率CMB图谱中抓取到更多科学信息，从而可以研究CMB在到达地球前138亿年的太空旅行中受到了哪些影响。

CMB会由于大星系团和暗物质引力的影响而扭曲变形，这种现象被称为引力透镜，相关数据可用于制作这些星系团的3D图谱。在最新研究中，西蒙斯团队将重建CMB在所经历的引力透镜，并确定其中有多少由宇宙中微子引起。这将使研究团队能够计算出这些粒子质量。

鉴于LAT会在“有生之年”重复扫描相同的天空区域，它还能够跟踪太阳系内小行星，以及其他星系中心活跃黑洞的运动情况。邓克利表示，他们将能追踪20000个或更多活跃星系核的“行为举止”，他们认为这些星系核是带有喷流的超大质量黑洞。

据悉，该天文台将运行两轮，每轮持续约四年时间，其间管理团队计划耗资5300万美元进行升级。该项目结束后，由美国能源部和国家科学基金会牵头的CMB-S4项目将“接棒”，继续搜捕宇宙暴胀。