捕捉宇宙大爆炸的“余暉”

宇宙微波背景輻射（CMB）被稱為宇宙大爆炸的“余暉”。據英國《自然》雜志網站近日報道，棲身于智利北部阿塔卡馬沙漠Cerro Toco海拔5300米處的西蒙斯天文臺將于幾周內竣工，其能以更精致的細節，為CMB繪制“肖像畫”。該天文臺靈敏度將是歐洲普朗克衛星的10倍。

天文臺團隊主要成員之一、美國普林斯頓大學宇宙學家喬·鄧克利指出，它將為天文學家提供迄今對CMB最好的觀測，并尋找源于宇宙大爆炸的引力波的“蛛絲馬跡”，從而揭示宇宙暴脹的秘密。

圖為西蒙斯天文臺大口徑望遠鏡接收器的正面，該天文臺是迄今建造的用于觀測宇宙微波背景的最大設施。圖片來源：賓夕法尼亞大學

暴脹仍是未解之謎

西蒙斯天文臺耗資1.095億美元，由5所美國大學和勞倫斯伯克利國家實驗室牽頭。其主要使命之一是尋找宇宙大爆炸產生的引力波在CMB中留下的痕跡。這些痕跡將為宇宙暴脹提供第一個無可辯駁的證據。2014年，位于南極的CMB觀測站“第二代宇宙泛星系偏振背景成像望遠鏡”（BICEP2）實驗團隊稱檢測到暴脹特征，但后來發現看到的是星系塵埃。

宇宙暴脹持續時間非常短，倏忽之間，宇宙以指數級速度膨脹。科學家認為，在宇宙暴脹期間，微觀尺度上的量子波動為宇宙中的大尺度結構，包括目前宇宙中星系團的分布“播撒下”種子。

許多宇宙學家認為，暴脹是賦予宇宙結構機制中最合理的那個。暴脹的性質和特性仍是未解之謎。鑒于此，科學家提出了許多理論，預測各種強度引力波的特征。

尋找宇宙暴脹確鑿證據

西蒙斯天文臺由四臺望遠鏡陣列組成。其中包括三臺0.4米小孔徑望遠鏡（SAT），以及一臺6米大孔徑望遠鏡（LAT）。它們將一起繪制出每一片天空中CMB溫度的細微變化，以及CMB在太空傳播時輻射電場優先擺動的方向。

三臺SAT望遠鏡將集中觀測南部20%的天空區域，研究CMB偏振場中的大規模漩渦，科學家有望在偏振圖中發現B模式，這是指示宇宙暴脹的信號。

LAT則將以更精微的分辨率繪制40%的天空，并記錄CMB的溫度波動及CMB的偏振。參與普朗克探測計劃及其他CMB項目的宇宙學家能夠通過繪制這些溫度波動的強度，以及與其所跨天空的面積來提取大量信息。

LAT提供的數據也可以幫助科學家在小型望遠鏡繪制的低分辨率偏振圖像內探測到宇宙暴脹的信號。美國賓夕法尼亞大學宇宙學家、西蒙斯天文臺聯合主任馬克·德夫林解釋說，LAT捕獲的數據對于將B模式與銀河系中的塵埃等產生的虛假信號分離開來至關重要。這項實驗探測偏振模式的敏感度將是此前測量方法的6倍。

身負多項使命

尋找宇宙暴脹信號只是西蒙斯天文臺的目標之一。團隊計劃從該天文臺獲取的高分辨率CMB圖譜中抓取到更多科學信息，從而可以研究CMB在到達地球前138億年的太空旅行中受到了哪些影響。

CMB會由于大星系團和暗物質引力的影響而扭曲變形，這種現象被稱為引力透鏡，相關數據可用于制作這些星系團的3D圖譜。在最新研究中，西蒙斯團隊將重建CMB在所經歷的引力透鏡，并確定其中有多少由宇宙中微子引起。這將使研究團隊能夠計算出這些粒子質量。

鑒于LAT會在“有生之年”重復掃描相同的天空區域，它還能夠跟蹤太陽系內小行星，以及其他星系中心活躍黑洞的運動情況。鄧克利表示，他們將能追蹤20000個或更多活躍星系核的“行為舉止”，他們認為這些星系核是帶有噴流的超大質量黑洞。

據悉，該天文臺將運行兩輪，每輪持續約四年時間，其間管理團隊計劃耗資5300萬美元進行升級。該項目結束后，由美國能源部和國家科學基金會牽頭的CMB-S4項目將“接棒”，繼續搜捕宇宙暴脹。