科学家刚刚拍摄到宇宙第一束光的最清晰图像

阿塔卡马宇宙望远镜的新见解提供了前所未有的 38 万年前的宇宙图像，以异常清晰的方式揭示了宇宙光的运动和偏振。这些发现不仅增进了我们对宇宙微波背景辐射的理解，而且证实了宇宙结构和膨胀的基本理论，同时为观测宇宙学设定了新的标准。

阿塔卡马宇宙望远镜合作组织的研究获得了迄今为止最清晰、最精确的宇宙早期图像，即宇宙微波背景辐射，在宇宙大爆炸后仅 38 万年才可见。这幅图像放大了 10 度，即从地球上看到的月球宽度的 20 倍，显示了新半天图像的一小部分。橙色和蓝色显示或多或少强烈的辐射，揭示了宇宙在不到 50 万年时的密度特征，那时任何星系都还未形成。图像包括较近的物体：右侧的红色带是银河系，红点是包含巨大黑洞的星系，蓝点是巨大的星系团，螺旋状的玉夫座星系在底部可见。图片来源：ACT 合作组织；ESA/普朗克合作组织

阿塔卡马宇宙望远镜 (ACT) 的最新研究生成了迄今为止最清晰的宇宙早期图像。通过捕捉经过 130 亿年才到达智利安第斯山脉望远镜的光，科学家们揭示了宇宙在 38 万年前的样子，这实际上是现在中年宇宙的一张新生快照。

“我们看到了形成最早恒星和星系的第一步，”ACT 主任兼普林斯顿大学亨利·德沃尔夫·史密斯物理学教授苏珊娜·斯塔格斯 (Suzanne Staggs) 表示。“我们不仅看到了光明与黑暗，还看到了高分辨率的光的偏振。这是 ACT 与普朗克和其他早期望远镜的区别决定性因素。”

“ACT 的分辨率是普朗克的五倍，灵敏度也更高，”奥斯陆大学研究员、该项目相关论文之一的主要作者西格德·纳斯 (Sigurd Naess) 表示。“这意味着微弱的偏振信号现在可以直接看到。”

这幅新天空地图显示了辐射的振动方向（或偏振）。右侧的放大图高 10 度。偏振光以特定方向振动；蓝色表示周围光的振动方向与它成一定角度，就像自行车的辐条一样；橙色表示振动方向围绕它旋转的地方。这一新信息揭示了宇宙在不到 50 万年时古老气体的运动，在引力的牵引下，这是形成星系的第一步。红色带来自我们更近的银河系。图片来源：ACT 合作组织；ESA/普朗克合作组织

偏振图像揭示了宇宙初期氢和氦气的详细运动。“以前，我们可以看到物体的位置，现在我们还能看到它们的运动方式，”斯塔格斯说。“就像使用潮汐来推断月球的存在一样，光的偏振追踪的运动告诉我们引力在太空不同部分的拉力有多强。”

研究小组表示，新结果证实了宇宙的简单模型，并排除了大多数竞争性替代方案。这项工作尚未经过同行评审，但研究人员将于 3 月 19 日在美国物理学会年会上展示他们的成果。

在大爆炸后的最初几十万年里，宇宙中充满的原始等离子体非常热，以至于光无法自由传播，使得宇宙实际上是不透明的。CMB 代表着我们能看到的宇宙历史的第一个阶段——实际上是宇宙的婴儿图景。

新图像清晰地显示了年轻宇宙中充满的气体的密度和速度的细微变化。“其他当代望远镜也在低噪音下测量偏振，但没有一个能像 ACT 一样覆盖如此广阔的天空，”纳斯说。在光线强度下看起来像朦胧云层的东西实际上是氢和氦海洋中密度较大和较小区域——绵延数百万光年的丘陵和山谷。在接下来的数百万至数十亿年里，引力将密度较大的气体区域向内拉，形成了恒星和星系。

这些新生宇宙的详细图像正在帮助科学家解答关于宇宙起源的长期问题。“通过回顾那个事物简单得多的时代，我们可以拼凑出我们的宇宙如何演变成我们今天所处的丰富而复杂的地方的故事，”普林斯顿大学约瑟夫·亨利物理学和天体物理科学教授兼 ACT 分析负责人乔·邓克利说。

阿塔卡马宇宙望远镜测量宇宙中最古老的光，即宇宙微波背景。利用这些测量值，科学家可以计算出宇宙的年龄。图片来源：Debra Kellner

“我们更精确地测量了可观测宇宙，发现它从我们四面八方延伸近 500 亿光年，包含 1900 个‘Zetta太阳’，或近 2 万亿万亿个太阳的质量，”卡迪夫大学天体物理学教授、其中一篇新论文的主要作者埃米尼亚·卡拉布雷斯 (Erminia Calabrese) 说道。在这 1900 个Zetta太阳中，正常物质（我们可以看到和测量的物质）的质量仅占 100 个。另外 500 个Zetta太阳质量是神秘的暗物质，而相当于 1300 个Zetta太阳质量的是空旷空间中占主导地位的真空能量（也称为暗能量）。

微小的中微子粒子的质量最多为 4 个Zetta太阳。在正常物质中，四分之三的质量是氢，四分之一是氦。“宇宙中几乎所有的氦都是在宇宙时间的最初三分钟内产生的，”巴黎萨克雷大学 IJCLab 的 CNRS 研究员、新论文的主要作者之一 Thibaut Louis 说道。“我们对氦丰度的新测量结果与理论模型和星系中的观测结果非常吻合。”构成人类的元素——主要是碳，还有氧、氮、铁，甚至还有微量的金——都是后来在恒星中形成的，只是这道宇宙大杂烩上的点缀。

ACT 的新测量结果还精确估计了宇宙的年龄和现在的增长速度。早期宇宙中物质的坠落向太空发出了声波，就像池塘里一圈圈扩散开来的涟漪。

“较年轻的宇宙必须以更快的速度膨胀才能达到目前的大小，而我们测量的图像看起来会离我们更近，”宾夕法尼亚大学Reese W. Flower 天文学教授兼 ACT 副主任马克·德夫林 (Mark Devlin) 解释道。“在这种情况下，图像中波纹的明显范围会更大，就像一把尺子放在你脸前看起来比放在你手臂长度处看起来更大一样。”新数据证实宇宙的年龄为 138 亿年，不确定性仅为 0.1%。

近年来，宇宙学家对哈勃常数（即当今宇宙膨胀的速度）的看法不一。根据 CMB 测量结果始终显示膨胀速度为 67 至 68 公里/秒/百万秒差距，而根据附近星系运动测量结果则表明哈勃常数高达 73 至 74 公里/秒/百万秒差距。ACT 团队利用新发布的数据，更精确地测量了哈勃常数。他们的测量结果与之前根据 CMB 得出的估计值相符。“我们对天空进行了全新的测量，对宇宙学模型进行了独立检查，结果表明模型是成立的，”马克斯普朗克天体物理研究所研究员、其中一篇新论文的主要作者 Adriaan Duivenvoorden 说。

这项研究的主要目标是研究能够解释这种分歧的宇宙替代模型。“我们想看看我们能否找到一个与我们的数据相匹配的宇宙学模型，同时预测更快的膨胀速度，”哥伦比亚大学助理教授、新论文的主要作者之一科林·希尔说。替代方法包括改变中微子和不可见暗物质的行为方式，在早期宇宙中增加一段加速膨胀期，或者改变自然的基本常数。

“我们利用 CMB 作为早期宇宙中新粒子或场的探测器，探索以前未知的领域，”希尔说。“ACT 数据显示没有此类新信号存在的证据。凭借我们的新结果，宇宙学的标准模型通过了一项极其精确的测试。”

“我们有点惊讶，我们没有找到哪怕是部分证据来支持更高的价值，”斯塔格斯说。“我们原本以为有几个领域可能会找到解释紧张局势的证据，但这些数据中却没有。”

ACT 测量的背景辐射非常微弱。“为了进行这项新测量，我们需要使用一台灵敏度高的望远镜进行 5 年的曝光，该望远镜可以调到毫米波长的光，”德夫林说。“我们国家标准与技术研究所的同事提供了具有尖端灵敏度的探测器，美国国家科学基金会在 20 多年的时间里支持 ACT 的任务，使我们得以实现这一目标。”

在勘测天空时，ACT 还观测到了太空中其他物体发出的光。“我们可以纵观宇宙的历史，”邓克利说，“从我们自己的银河系，到拥有巨大黑洞和巨大星系团的遥远星系，一直到宇宙的婴儿期。”

ACT 于 2022 年完成了观测，现在人们的注意力转向位于智利同一地点的、功能更强大的新西蒙斯天文台。新的 ACT 数据已在NASA的 LAMBDA 档案中公开分享。

编译自/ScitechDaily