阿塔卡馬宇宙望遠鏡的新見解提供了前所未有的38 萬年前的宇宙影像，以異常清晰的方式揭示了宇宙光的運動和偏振。這些發現不僅增進了我們對宇宙微波背景輻射的理解，也證實了宇宙結構和膨脹的基本理論，同時為觀測宇宙學設定了新的標準。

阿塔卡馬宇宙望遠鏡合作組織的研究獲得了迄今為止最清晰、最精確的宇宙早期影像，即宇宙微波背景輻射，在宇宙大爆炸後僅38 萬年才可見。這張影像放大了10 度，即從地球上看到的月球寬度的20 倍，顯示了新半天影像的一小部分。橙色和藍色顯示或多或少強烈的輻射，揭示了宇宙在不到50 萬年時的密度特徵，那時任何星係都還未形成。影像包括較近的物體：右側的紅色帶是銀河系，紅點是包含巨大黑洞的星系，藍點是巨大的星系團，螺旋狀的玉夫座星系在底部可見。圖片來源：ACT 合作組織；ESA/普朗克合作組織

阿塔卡馬宇宙望遠鏡(ACT) 的最新研究生成了迄今為止最清晰的宇宙早期影像。透過捕捉經過130 億年才到達智利安第斯山脈望遠鏡的光，科學家們揭示了宇宙在38 萬年前的樣子，這實際上是現在中年宇宙的一張新生快照。

「我們看到了形成最早恆星和星系的第一步，」ACT 主任兼普林斯頓大學亨利·德沃爾夫·史密斯物理學教授蘇珊娜·斯塔格斯(Suzanne Staggs) 表示。 “我們不僅看到了光明與黑暗，還看到了高分辨率的光的偏振。這是ACT 與普朗克和其他早期望遠鏡的區別決定性因素。”

「ACT 的分辨率是普朗克的五倍，靈敏度也更高，」奧斯陸大學研究員、該計畫相關論文之一的主要作者西格德·納斯(Sigurd Naess) 表示。 “這意味著微弱的偏振訊號現在可以直接看到。”

這張新天空地圖顯示了輻射的振動方向（或偏振）。右側的放大圖高10 度。偏振光以特定方向振動；藍色表示周圍光的振動方向與它成一定角度，就像自行車的輻條一樣；橙色表示振動方向圍繞它旋轉的地方。這項新資訊揭示了宇宙在不到50 萬年時古老氣體的運動，在引力的牽引下，這是形成星系的第一步。紅色帶來自我們更近的銀河系。圖片來源：ACT 合作組織；ESA/普朗克合作組織

偏振圖像揭示了宇宙初期氫和氦氣的詳細運動。 「以前，我們可以看到物體的位置，現在我們還能看到它們的運動方式，」斯塔格斯說。 “就像使用潮汐來推斷月球的存在一樣，光的偏振追踪的運動告訴我們引力在太空不同部分的拉力有多強。”

研究小組表示，新結果證實了宇宙的簡單模型，並排除了大多數競爭性替代方案。這項工作尚未經過同行評審，但研究人員將於3 月19 日在美國物理學會年會上展示他們的成果。

在大爆炸後的最初幾十萬年裡，宇宙中充滿的原始等離子體非常熱，以至於光無法自由傳播，使得宇宙實際上是不透明的。 CMB 代表我們所能看到的宇宙歷史的第一個階段——實際上是宇宙的嬰兒圖像。

新圖像清晰地顯示了年輕宇宙中充滿的氣體的密度和速度的細微變化。 「其他當代望遠鏡也在低噪音下測量偏振，但沒有一個能像ACT 一樣覆蓋如此廣闊的天空，」納斯說。在光線強度下看起來像朦朧雲層的東西實際上是氫和氦海洋中密度較大和較小區域——綿延數百萬光年的丘陵和山谷。在接下來的數百萬至數十億年裡，引力將密度較大的氣體區域向內拉，形成了恆星和星系。

這些新生宇宙的詳細圖像正在幫助科學家解答關於宇宙起源的長期問題。 「透過回顧那個事物簡單得多的時代，我們可以拼湊出我們的宇宙如何演變成我們今天所處的豐富而複雜的地方的故事，」普林斯頓大學約瑟夫·亨利物理學和天體物理科學教授兼ACT 分析負責人喬·鄧克利說。

阿塔卡馬宇宙望遠鏡測量宇宙中最古老的光，即宇宙微波背景。利用這些測量值，科學家可以計算出宇宙的年齡。圖片來源：Debra Kellner

「我們更精確地測量了可觀測宇宙，發現它從我們四面八方延伸近500 億光年，包含1900 個’Zetta太陽’，或近2 萬億萬億個太陽的質量，」卡迪夫大學天體物理學教授、其中一篇新論文的主要作者埃米尼亞·卡拉布雷斯(Erminia Calabrese) 說道。在這1900 個Zetta太陽中，正常物質（我們可以看到和測量的物質）的質量僅佔100 個。另外500 個Zetta太陽質量是神秘的暗物質，而相當於1300 個Zetta太陽質量的是空曠空間中占主導地位的真空能量（也稱為暗能量）。

微小的中微子粒子的質量最多為4 個Zetta太陽。在正常物質中，四分之三的質量是氫，四分之一是氦。 「宇宙中幾乎所有的氦都是在宇宙時間的最初三分鐘內產生的，」巴黎薩克雷大學IJCLab 的CNRS 研究員、新論文的主要作者之一Thibaut Louis 說道。 「我們對氦豐度的新測量結果與理論模型和星系中的觀測結果非常吻合。」構成人類的元素——主要是碳，還有氧、氮、鐵，甚至還有微量的金——都是後來在恆星中形成的，只是這道宇宙大雜燴上的點綴。

ACT 的新測量結果也精確地估計了宇宙的年齡和現在的增長速度。早期宇宙中物質的墜落向太空發出了聲波，就像池塘裡一圈圈擴散的漣漪。

「較年輕的宇宙必須以更快的速度膨脹才能達到目前的大小，而我們測量的圖像看起來會離我們更近，」賓州大學Reese W. Flower 天文學教授兼ACT 副主任馬克·德夫林(Mark Devlin) 解釋道。 「在這種情況下，影像中波紋的明顯範圍會更大，就像一把尺子放在你臉前看起來比放在你手臂長度處看起來更大一樣。」新數據證實宇宙的年齡為138 億年，不確定性僅為0.1%。

近年來，宇宙學家對哈伯常數（即當今宇宙膨脹的速度）的看法不一。根據CMB 測量結果始終顯示膨脹速度為67 至68 公里/秒/百萬秒差距，而根據附近星系運動測量結果則顯示哈伯常數高達73 至74 公里/秒/百萬秒差距。 ACT 團隊利用新發布的數據，更精確地測量了哈伯常數。他們的測量結果與先前根據CMB 得出的估計值相符。 「我們對天空進行了全新的測量，對宇宙學模型進行了獨立檢查，結果表明模型是成立的，」馬克斯普朗克天體物理研究所研究員、其中一篇新論文的主要作者Adriaan Duivenvoorden 說。

這項研究的主要目標是研究能夠解釋這種分歧的宇宙替代模型。 「我們想看看我們能否找到一個與我們的數據相匹配的宇宙學模型，同時預測更快的膨脹速度，」哥倫比亞大學助理教授、新論文的主要作者之一科林希爾說。替代方法包括改變中微子和不可見暗物質的行為方式，在早期宇宙中增加一段加速膨脹期，或改變自然的基本常數。

「我們利用CMB 作為早期宇宙中新粒子或場的探測器，探索以前未知的領域，」希爾說。 “ACT 數據顯示沒有此類新信號存在的證據。憑藉我們的新結果，宇宙學的標準模型通過了一項極其精確的測試。”

「我們有點驚訝，我們沒有找到哪怕是部分證據來支持更高的價值，」斯塔格斯說。 “我們原本以為有幾個領域可能會找到解釋緊張局勢的證據，但這些數據中卻沒有。”

ACT 測量的背景輻射非常微弱。 「為了進行這項新測量，我們需要使用一台靈敏度高的望遠鏡進行5 年的曝光，該望遠鏡可以調到毫米波長的光，」德夫林說。 “我們國家標準與技術研究所的同事提供了具有尖端靈敏度的探測器，美國國家科學基金會在20 多年的時間裡支持ACT 的任務，使我們得以實現這一目標。”

在勘測天空時，ACT 也觀測到了太空中其他物體發出的光。 “我們可以縱觀宇宙的歷史，”鄧克利說，“從我們自己的銀河系，到擁有巨大黑洞和巨大星系團的遙遠星系，一直到宇宙的嬰兒期。”

ACT 於2022 年完成了觀測，現在人們的注意力轉向位於智利同一地點的、功能更強大的新西蒙斯天文台。新的ACT 資料已在NASA的LAMBDA 檔案中公開分享。

編譯自/ ScitechDaily