从安第斯山脉到时间起点：天文望远镜探测到130亿年前的信号

利用智利北部安第斯山脉高处的望远镜，天体物理学家测量了这种偏振微波光，从而描绘出宇宙历史中最未被理解的纪元之一——宇宙黎明（Cosmic Dawn）的更清晰图景。

"人们曾认为这无法从地面实现。天文学是一个受技术限制的领域，而来自宇宙黎明的微波信号是出了名的难以测量，"项目负责人、约翰霍普金斯大学物理学和天文学教授 Tobias Marriage 表示。"与太空相比，地面观测面临更多挑战。克服这些障碍使这项测量成为一项重大成就。"

宇宙微波的波长仅为毫米级且极其微弱。来自偏振微波光的信号还要微弱约一百万倍。在地球上，广播无线电波、雷达和卫星信号会淹没它们的信号，而大气变化、天气和温度波动则会扭曲它。即使在理想条件下，测量此类微波也需要极其灵敏的设备。

来自美国国家科学基金会（NSF）宇宙学大角尺度巡天仪（CLASS）项目的科学家使用了专门设计的望远镜，旨在探测首批恒星在大爆炸遗留光中留下的"指纹"——这一壮举此前只能由部署在太空中的技术实现，例如美国国家航空航天局（NASA）的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和欧洲航天局（ESA）的普朗克空间望远镜。

这项由约翰霍普金斯大学和芝加哥大学领导的新研究今日发表于《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）。

通过将CLASS望远镜数据与普朗克和WMAP空间任务的数据进行比较，研究人员识别出干扰信号，并专注于偏振微波光中的一个共同信号。

当光波遇到某物并发生散射时，就会发生偏振。

"当光线照射到你的汽车引擎盖上，你看到眩光，那就是偏振。为了看清楚，你可以戴上偏光镜来消除眩光，"该研究的第一作者、当时在约翰霍普金斯大学攻读博士学位、后于芝加哥大学从事研究工作的Yunyang Li解释道。"使用这个新的共同信号，我们可以确定我们所看到的有多少是宇宙眩光——打个比方说——来自在宇宙黎明的'引擎盖'上反弹的光。"

大爆炸之后，宇宙是一个由电子构成的浓密迷雾，光线能量无法逃逸。随着宇宙膨胀和冷却，质子捕获电子形成中性氢原子，微波光随后得以在星际空间中自由传播。当首批恒星在宇宙黎明时期形成时，其强大的能量将电子从氢原子中剥离出来。研究团队测量了来自大爆炸的光子在穿过电离气体云团途中遇到一个自由电子并偏离原路径的概率。

这些发现将有助于更好地界定来自大爆炸余辉（即宇宙微波背景辐射）的信号，并形成更清晰的早期宇宙图景。

"更精确地测量这个再电离信号是宇宙微波背景研究的一个重要前沿，"领导WMAP空间任务的约翰霍普金斯大学布隆伯格杰出教授Charles Bennett说。"对我们来说，宇宙就像一个物理实验室。更精确地测量宇宙有助于完善我们对暗物质和中微子的理解，这些丰富却难以捉摸的粒子充满了宇宙。通过未来分析更多的CLASS数据，我们希望能够达到可实现的最高精度。"

基于去年发表的使用CLASS望远镜绘制75%夜空的研究成果，这些新结果也进一步巩固了CLASS团队的研究方法。

"没有其他地面实验能做到CLASS正在做的事情，"自2010年起支持CLASS仪器及研究团队的美国国家科学基金会天文科学部项目主任Nigel Sharp表示。"CLASS团队极大地改善了对宇宙微波偏振信号的测量，这一令人印象深刻的飞跃证明了NSF长期支持所产生的科学价值。"

CLASS天文台在智利北部阿塔卡马天文公园（Parque Astronómico Atacama）运行，由智利国家研究与发展署（Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo）支持。

其他合作机构包括维拉诺瓦大学、NASA戈达德太空飞行中心、芝加哥大学、美国国家标准与技术研究院、阿贡国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、哈佛-史密松天体物理中心、奥斯陆大学、麻省理工学院以及不列颠哥伦比亚大学。在智利的合作机构包括智利大学、智利天主教宗座大学、康塞普西翁大学以及康塞普西翁天主教大学。

该天文台由美国国家科学基金会、约翰霍普金斯大学以及私人捐助者资助。