西蒙斯天文臺將描繪“最美”大爆炸余暉

宇宙學家正準備將有史以來最敏銳的“目光”投向早期的宇宙。在智利北部阿塔卡馬沙漠塔科山海拔5300米處，西蒙斯天文臺將繪制宇宙微波背景（CMB）圖——也被稱為宇宙大爆炸的余輝。該天文臺的靈敏度比之前的“金標準”——歐空局“普朗克”探測器高了10倍。

據《自然》報道，這座耗資1.095億美元的天文臺將在幾周內完工。

美國普林斯頓大學宇宙學家、該天文臺團隊的主要研究人員Jo Dunkley說：“這將是迄今為止我們看到的最好的CMB。”

該項目的目標之一是尋找宇宙大爆炸產生的引力波在CMB中留下的痕跡。這將為宇宙膨脹提供第一個無可爭議的證據。宇宙膨脹是一個短暫的時刻，被認為是以指數速度發生的。在此期間，微觀尺度上的量子波動被認為為宇宙埋下了大規模結構的種子。

這項科學合作由5所美國大學和美國勞倫斯·伯克利國家實驗室牽頭。該項目以數學家、對沖基金投資者Jim Simons及其妻子Marilyn Simons的名字命名。美國西蒙斯基金會捐贈了約9000萬美元用于建造天文臺。

一旦建設完成，工程師將開始長達數月的微調和測試天文臺儀器的過程，然后才能全面開啟其科學計劃。

西蒙斯天文臺由4臺望遠鏡組成。其中3臺是相同的0.4米小口徑望遠鏡（SAT），另一臺是6米大口徑望遠鏡（LAT）。它們將共同繪制出CMB在不同區域溫度的微小變化以及CMB的偏振——微波在空間中傳播時輻射電場擺動的優先方向。

3臺SAT將集中在覆蓋南天天空20%的區域，目標是研究CMB偏振場中的大規模漩渦——它們所跨越的區域是天空中月球表觀大小的幾倍。正是在這里，被稱為B模式的宇宙膨脹信號有望出現。

美國約翰斯·霍普金斯大學理論天體物理學家Marc Kamionkowski表示，已知的量子場物理學表明，這些特征應該在西蒙斯天文臺的靈敏度范圍內，或者接近它。他是1997年第一批預測B模式存在的研究人員之一。

雖然SAT聚焦于相對較小的區域，但LAT將以更精細的分辨率繪制40%的天區，并記錄CMB的溫度波動以及CMB的偏振。科學家已經能夠通過這些溫度波動的強度及其跨越的天區面積提取大量信息，進而對宇宙年齡（138億年）及其組成（其中只有約4%是普通物質）進行精確估計。

LAT數據可以幫助研究人員在小型望遠鏡制作的低分辨率偏振圖中探測宇宙膨脹的信號。美國賓夕法尼亞大學宇宙學家、該天文臺聯合主任Mark Devlin解釋說，它們對于區分銀河系塵埃等產生的虛假信號至關重要。這次實驗對偏振模式的敏感度將是以往測量實驗的6倍。

然而，尋找宇宙膨脹信號只是該項目的目標之一，研究團隊計劃從天文臺獲得的高分辨率的CMB中獲得更多科學知識。研究人員不僅能看到早期的宇宙，還可以研究其原始輻射在到達地球前的138億年太空旅行中是如何受到影響的。

CMB被大星系團和暗物質的引力轉移，這種現象被稱為引力透鏡，可以用來制作這些星系團的3D地圖。西蒙斯天文臺團隊將重建CMB的引力透鏡，并確定其中有多少是由宇宙中微子引起的，這將使他們能夠計算出這些粒子的質量。

由于LAT將在其生命周期內反復探測相同的天區，它還能夠跟蹤太陽系中小行星的運動，并監測其他星系中心的活躍黑洞，以及它們如何隨時間變化。“我們將能夠追蹤2萬個或更多的活動星系核，我們認為它們是帶有噴流的超大質量黑洞。”Dunkley說。