地球上的能量波的振动可能包含着宇宙的历史

研究宇宙起源时期的辐射遗迹，对于理解整个宇宙如何形成以及宇宙为什么会变成现在这样至关重要。

图1：用CLASS望远镜观测夜空，以观察宇宙微波背景中的能量波动。 （图片来源：约翰霍普金斯大学）

通过测量地球上空的能量波动，科学家们创造了一种从“第一道光”开始的方法，来深入研究我们这个已经有138亿年历史的宇宙。

由约翰霍普金斯大学天体物理学家带领的团队使用一组名为“宇宙学大角度尺度测量器”（CLASS）的微波望远镜阵列绘制了地球上75%的天空。该观测站位于安第斯山脉，海拔超过智利的阿塔卡马沙漠16860英尺。

由CLASS进行的测量与微波的方向，即“微波极化”有关。CLASS帮助科学家过滤并测量从银河系释放出来的宇宙第一道光相关联的微波辐射波长，即被称为“宇宙微波背景辐射”（ cosmic microwave background，CMB）的天体化石。

“通过研究宇宙微波背景辐射的偏振，天体物理学家可以推断出早期宇宙的样貌”，约翰霍普金斯大学物理和天文学教授、团队共同领导人托比亚斯·马里奇在一份声明中表示，“天体物理学家可以回溯到非常早期的时候——如宇宙中物质和能量分布首次形成的那些极其初始的时刻，并将其与我们今天所看到的现象联系起来。”

解码宇宙化石

宇宙微波背景辐射（CMB）由大爆炸后约3.8亿年，即“再复合时期”发生的一次事件所产生的残余光组成。在此之前，宇宙充满了热而密集的等离子体。所谓的宇宙黑暗时代则是由自由电子无休止地与被称为光子的粒子碰撞而引起的。

然后，当宇宙膨胀并冷却到足够程度时，电子与质子结合形成了第一个原子，产生了宇宙中最轻、最简单的元素：氢。自由电子突然消失意味着光子立即可以自由传播，宇宙开始有光。宇宙这第一道光在今天仍然可见，那就是宇宙微波背景辐射（CMB）。

远古时期的宇宙要比现在密集得多，因此宇宙背景辐射（CMB）几乎均匀地分布在整个宇宙中。这种辐射已经存在了大约134亿年，通过观察CMB中存在的微小变化，便可了解物质的故事、物质的分布和演变。其中就包括第一颗恒星、星系和星系团的形成。

“研究宇宙起源时期的遗迹辐射对于理解整个宇宙的形成以及为什么会是现在这个样子至关重要”，美国国家科学基金会天文科学部门项目主管奈杰尔·夏普在声明中表示。他还提到：“这些新观测结果为我们不断增长的宇宙背景辐射变化图提供了大量重要细节，而且更加令人印象深刻的是，这是通过地面设备实现的壮举”。

图2：（上）新的CLASS极化天空图比相应的卫星地图噪音更小

（下）红色和蓝色表示极化方向，颜色深浅表示极化强度。灰色部分代表由于CLASS望远镜所在地理位置的限制而无法观测到的天空区域。（图片来源：约翰霍普金斯大学）

CLASS观测图使我们能观察到一种称为“线性偏振”的微波信号，当光波震动被限制在单平面时会发射出这种信号。微波的线性偏振是银河系磁场高速旋转电子产生的结果。因此这个微波信号可以帮助研究银河系，但同时也可能干扰使用宇宙背景辐射来探索早期宇宙的研究。

科学家利用CLASS清晰地绘制微波背景并过滤线性偏振的微波，从而提高对早期宇宙中发生的物理过程的理解。当光的传播以二维横波进行时，就会发生圆偏振，这与线性偏振微波是不同的。

图3：线性偏振与圆偏振的区别。（图片来源：公共领域）

“了解银河系的辐射亮度非常重要，因为这是我们在进行宇宙微波背景深入分析时需要纠正的内容”， 约翰霍普金斯大学的天体物理学家约瑟夫·艾默尔（Joseph Eimer）在声明中表示。“CLASS在表征信号性质方面非常成功，这样我们就能够识别并从观测数据中去除这些污染物。”

随着这些新成果的发布，CLASS为光偏振映射设定了新标准，即在地球用天文台进行观测时，可能需要应对来自地球大气层干扰的问题。“该项目处于推动最大尺度上基于地面的偏振测量技术前沿”， 艾默尔总结道。团队的研究已于2月26日发表在《天体物理学杂志》上。

BY: Robert Lea

FY: Luuuuc（封博问）

如有相关内容侵权，请在作品发布后联系作者删除

转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处