从安第斯山脉到时间起点：望远镜探测到130亿年之久的信号

天体物理学家利用智利北部安第斯山脉高处的望远镜，测量了这种偏振微波光，从而为宇宙历史中最未被理解的时期之一——宇宙黎明期——描绘出更清晰的图景。

项目负责人、约翰斯·霍普金斯大学物理学和天文学教授托拜厄斯·马里奇表示：「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，而宇宙黎明期的微波信号是出了名的难以测量。」「与太空观测相比，地面观测面临更多挑战。克服这些障碍使得此项测量成为一项重大成就。」

宇宙微波的波长仅为毫米级且非常微弱。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、雷达和卫星信号可能淹没其信号，而大气变化、天气和温度波动则可能造成信号失真。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宇宙学大角尺度巡天项目（CLASS）的科学家们使用了专门设计的望远镜，旨在探测最初恒星在残余大爆炸光中留下的「指纹」——这一壮举此前仅能通过部署在太空中的技术实现，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和WMAP空间任务的数据进行比对，研究人员识别了干扰并聚焦于偏振微波光中的共性信号。

当光波撞击某物并发生散射时，就会产生偏振现象。

第一作者李云阳（在参与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博士后）解释道：「当光线照射在汽车引擎盖上时，您看到的眩光就是偏振现象。为了看得更清楚，您可以戴上偏振镜片来消除眩光。」「打个比方，利用这个新发现的共性信号，我们能够确定所观测到的景象中有多少是源自宇宙黎明期‘引擎盖’反射光产生的宇宙眩光。」

大爆炸之后，宇宙曾处于一片稠密的电子迷雾中，使得光能无法逃逸。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中自由传播。当宇宙黎明期第一批恒星形成时，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过电离气体云途中，遭遇某个自由电子并偏离原路径的概率。

这些发现将有助于更精确地界定源自大爆炸余辉（即宇宙微波背景辐射）的信号，并构建更清晰的早期宇宙图景。

领导WMAP空间任务的约翰斯·霍普金斯大学布隆伯格杰出教授查尔斯·贝内特指出：「更精确地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。」「对我们而言，宇宙如同一个物理实验室。更精准的宇宙测量有助于完善我们对暗物质和中微子的理解——这些充斥宇宙、丰度高却难以捉摸的粒子。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%夜空图的研究成果，新发现进一步巩固了CLASS团队的研究方法。

自2010年起资助CLASS设备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·夏普表示：「没有其他地面实验能实现CLASS的突破。」「CLASS团队大幅提升了宇宙微波偏振信号的测量精度，这一令人瞩目的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与发展署（ANID）的支持下，于智利北部阿塔卡马天文公园（Parque Astronómico Atacama）运行。

其他合作机构包括维拉诺瓦大学、美国宇航局戈达德太空飞行中心、芝加哥大学、国家标准与技术研究所、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、麻省理工学院和不列颠哥伦比亚大学。智利合作方包括智利大学、智利天主教宗座大学、康塞普西翁大学和圣玛丽亚康塞普西翁天主教大学。

该天文台由美国国家科学基金会、约翰斯·霍普金斯大学及私人捐助者共同资助。