五年多來，南極洲南極望遠鏡的科學家一直在使用升級版相機觀測天空。望遠鏡向宇宙延伸的目光捕捉了宇宙早期形成時的殘餘光線。現在，研究人員已經分析了最初的一批數據，並在《物理評論D》雜誌上發表了詳細的分析結果。

這台望遠鏡位於美國國家科學基金會的阿蒙森-斯科特南極站，2017年接收了一台名為SPT-3G的新相機。SPT-3G配備了16000個探測器，是其前身的10倍，是阿貢國家實驗室部分領導的多機構研究的核心。其目標是測量被稱為宇宙微波背景的微弱光線。宇宙微波背景是宇宙大爆炸的餘輝，當時宇宙從近140 億年前的一個能量點爆發出來。

宇宙微波背景是宇宙中最古老的光，它穿越了遙遠的距離才到達我們身邊。在其漫長的旅程中，來自巨大宇宙結構的引力使其軌跡彎曲，然後被南極望遠鏡捕捉到。圖片來源：Zhaodi Pan/阿爾貢國家實驗室

“CMB是宇宙學家的藏寶圖，”論文的第一作者、阿貢的瑪麗亞-戈珀特-邁爾研究員潘昭迪說。它微乎其微的溫度和偏振變化為我們提供了一個了解宇宙雛形的獨特視窗。

這篇發表在《物理評論D》上的論文首次提供了來自SPT-3G 的CMB 重力透鏡測量結果。當宇宙中巨大的物質網扭曲穿越空間的CMB 時，就會發生重力透鏡現象。如果你把一個酒杯的弧形底座放在書頁上，酒杯就會扭曲你的視線，讓你看不清後面的文字。同樣，望遠鏡視線中的物質會形成一個透鏡，使CMB光和我們的視線發生彎曲。愛因斯坦在他的廣義相對論中描述了這種時空結構的扭曲。

對這種扭曲的測量提供了有關早期宇宙和暗物質等奧秘的線索，暗物質是宇宙的一種不可見成分。暗物質很難探測，因為它不與光或其他形式的電磁輻射相互作用。目前，我們只能透過重力相互作用來觀測它。

自20 世紀60 年代發現CMB 以來，科學家一直在研究它，透過地面和太空望遠鏡對其進行觀測。儘管最新的分析只使用了2018 年幾個月的SPT-3G 數據，但重力透鏡的測量已經在該領域具有競爭力。

“這項研究真正令人興奮的部分之一是，其結果來自於我們剛開始使用SPT-3G進行觀測時的調試數據–結果已經很棒了，”論文共同作者、阿貢物理學家艾米-本德（Amy Bender）說。我們還有五年的數據正在進行分析，所以這只是預示著未來的發展。

南極望遠鏡乾燥、穩定的大氣層和偏遠的地理位置在尋找CMB 模式時盡可能減少干擾。儘管如此，來自高靈敏度SPT-3G 相機的數據仍然包含來自大氣層以及銀河系和河外星系的污染。由於研究人員需要驗證數據、過濾噪音和解釋測量結果，因此即使分析SPT-3G 幾個月的數據也是一項持續數年的工作。研究小組利用阿貢實驗室計算資源中心的一個專用叢集（一組電腦）來運行研究中的一些計算。

潘說：『我們發現，這項研究中觀測到的透鏡模式可以很好地用廣義相對論來解釋。這表明我們目前對重力的理解在這些大尺度上是正確的。這些結果也加強了我們對宇宙中物質結構如何形成的既有理解。”

SPT-3G從更多年的數據中獲得的透鏡圖也將有助於探測宇宙膨脹，即早期宇宙經歷了快速指數膨脹的觀點。宇宙膨脹是”宇宙學的另一塊基石”，科學家們正在尋找早期重力波的跡像以及這一理論的其他直接證據。重力透鏡的存在會對宇宙膨脹的印記產生幹擾，因此有必要消除這種污染，而這種污染可以透過精確的透鏡測量來計算。

新的SPT-3G 數據中的一些結果將鞏固現有的知識，而另一些結果則會提出新的問題。

“每當我們增加更多的數據，我們就會發現更多我們不了解的東西，”在芝加哥大學聯合任職的本德說。”當你一層層剝開這層洋蔥時，你會越來越了解你的儀器，也會越來越了解你對天空的科學測量。”

潘說，人們對宇宙中看不見的成分知之甚少，因此任何了解都至關重要： “我們對暗物質的分佈了解得越多，就越接近於理解它的性質及其在形成我們今天所生活的宇宙中的作用。”

編譯自/ scitechdaily