天文学家取得了一项前所未有的突破：利用地基望远镜探测到了来自宇宙大爆炸的超微弱偏振光。这束被130亿年前宇宙首批恒星散射的偏振光，为探索宇宙黎明时期提供了全新视角。通过克服极端技术挑战，宇宙学大面积偏振巡天（CLASS）团队将观测数据与卫星读数进行匹配，成功分离出这一古老信号。该发现可能重塑人类对宇宙早期演化的认知，并揭示暗物质、中微子等神秘宇宙组分的特性。
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，以描绘宇宙历史中最不为人知的时期之一——宇宙黎明（Cosmic Dawn）的更清晰图景。
“人们曾认为这无法在地面实现。天文学是一个受技术限制的领域，来自宇宙黎明的微波信号以难以测量而著称，”项目负责人、约翰斯·霍普金斯大学物理学与天文学教授托比亚斯·马瑞吉表示。“与太空观测相比，地基观测面临更多挑战。克服这些障碍使此次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。偏振微波光的信号还要微弱约一百万倍。在地球上，广播电波、雷达和卫星的信号可能将其淹没，而大气变化、天气和温度波动会使其失真。即使在理想条件下，测量此类微波也需要极度灵敏的设备。
来自美国国家科学基金会宇宙学大角度巡天者（CLASS）项目的科学家使用特制望远镜探测首批恒星在大爆炸遗留光中留下的“指纹”——这一壮举此前只能通过部署在太空的技术实现，例如美国国家航空航天局的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和欧洲航天局的普朗克太空望远镜。
这项由约翰斯·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》。
通过将CLASS望远镜数据与普朗克及WMAP太空任务数据比对，研究人员识别出干扰信号，并聚焦于偏振微波光中的共有特征。
当光波撞击物体并发生散射时会产生偏振现象。
“光线射到汽车引擎盖上产生的眩光就是偏振现象。为清晰视物，可佩戴偏光镜消除眩光，”第一作者李云阳解释道（他在研究期间先后为约翰斯·霍普金斯大学博士生和芝加哥大学研究员）。“借助这个新发现的共有信号，我们可以确定观测结果中有多少是所谓的‘宇宙黎明引擎盖’反射光造成的宇宙眩光。”
大爆炸后，宇宙处于电子浓雾中，其密度之高使光能无法逃逸。随着宇宙膨胀冷却，质子捕获电子形成中性氢原子，微波光得以在星际空间自由传播。当首批恒星在宇宙黎明形成时，其强大能量将电子从氢原子中剥离。研究团队测量了大爆炸光子穿越电离气体云时遭遇自由电子并偏离原路径的概率。
这些发现将有助于更精准界定来自大爆炸余辉（即宇宙微波背景）的信号，从而构建早期宇宙的更清晰图景。
“更精确测量这个再电离信号是宇宙微波背景研究的重要前沿领域，”主导WMAP太空任务的约翰斯·霍普金斯大学布隆伯格杰出教授查尔斯·贝内特强调。“宇宙如同我们的物理实验室。更精确的宇宙测量能完善对暗物质和中微子的认知——这些充斥宇宙却难以捉摸的粒子。通过持续分析更多CLASS数据，我们期望达到可实现的最高测量精度。”
基于去年利用CLASS望远镜绘制75%夜空的研究成果，新发现进一步验证了该团队的研究方法。
“其他地基实验无法实现CLASS的突破，”自2010年起资助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奈杰尔·夏普指出。“CLASS团队大幅提升了宇宙微波偏振信号的测量精度，这一惊人飞跃印证了国家科学基金会长期支持所产生的科学价值。”
CLASS天文台在智利国家研究开发署支持下，运营于智利北部的阿塔卡马天文公园。
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、不列颠哥伦比亚大学。智利合作机构包括：智利大学、智利天主教大学、康塞普西翁大学、圣母康塞普西翁天主教大学。
该天文台由国家科学基金会、约翰斯·霍普金斯大学及私人捐赠者资助。