西蒙斯天文台将描绘“最美”大爆炸余晖
西蒙斯天文台将描绘“最美”大爆炸余晖
宇宙学家正准备将有史以来最敏锐的“目光”投向早期的宇宙。在智利北部阿塔卡马沙漠塔科山海拔5300米处，西蒙斯天文台将绘制宇宙微波背景（CMB）图——也被称为宇宙大爆炸的余辉。该天文台的灵敏度比之前的“金标准”——欧空局“普朗克”探测器高了10倍。
据《自然》报道，这座耗资1.095亿美元的天文台将在几周内完工。美国普林斯顿大学宇宙学家、该天文台团队的主要研究人员Jo Dunkley说：“这将是迄今为止我们看到的最好的CMB。”
该项目的目标之一是寻找宇宙大爆炸产生的引力波在CMB中留下的痕迹。这将为宇宙膨胀提供第一个无可争议的证据。宇宙膨胀是一个短暂的时刻，被认为是以指数速度发生的。在此期间，微观尺度上的量子波动被认为为宇宙埋下了大规模结构的种子。
这项科学合作由5所美国大学和美国劳伦斯·伯克利国家实验室牵头。该项目以数学家、对冲基金投资者Jim Simons及其妻子Marilyn Simons的名字命名。美国西蒙斯基金会捐赠了约9000万美元用于建造天文台。
一旦建设完成，工程师将开始长达数月的微调和测试天文台仪器的过程，然后才能全面开启其科学计划。
西蒙斯天文台由4台望远镜组成。其中3台是相同的0.4米小口径望远镜（SAT），另一台是6米大口径望远镜（LAT）。它们将共同绘制出CMB在不同区域温度的微小变化以及CMB的偏振——微波在空间中传播时辐射电场摆动的优先方向。
西蒙斯天文台LAT接收器的正面，这是迄今用于观测CMB的最大接收器。图片来源：Mark Devlin/University of Pennsylvania
3台SAT将集中在覆盖南天天空20%的区域，目标是研究CMB偏振场中的大规模漩涡——它们所跨越的区域是天空中月球表观大小的几倍。正是在这里，被称为B模式的宇宙膨胀信号有望出现。
美国约翰斯·霍普金斯大学理论天体物理学家Marc Kamionkowski表示，已知的量子场物理学表明，这些特征应该在西蒙斯天文台的灵敏度范围内，或者接近它。他是1997年第一批预测B模式存在的研究人员之一。
虽然SAT聚焦于相对较小的区域，但LAT将以更精细的分辨率绘制40%的天区，并记录CMB的温度波动以及CMB的偏振。科学家已经能够通过这些温度波动的强度及其跨越的天区面积提取大量信息，进而对宇宙年龄（138亿年）及其组成（其中只有约4%是普通物质）进行精确估计。
LAT数据可以帮助研究人员在小型望远镜制作的低分辨率偏振图中探测宇宙膨胀的信号。美国宾夕法尼亚大学宇宙学家、该天文台联合主任Mark Devlin解释说，它们对于区分银河系尘埃等产生的虚假信号至关重要。这次实验对偏振模式的敏感度将是以往测量实验的6倍。
然而，寻找宇宙膨胀信号只是该项目的目标之一，研究团队计划从天文台获得的高分辨率的CMB中获得更多科学知识。研究人员不仅能看到早期的宇宙，还可以研究其原始辐射在到达地球前的138亿年太空旅行中是如何受到影响的。
CMB被大星系团和暗物质的引力转移，这种现象被称为引力透镜，可以用来制作这些星系团的3D地图。西蒙斯天文台团队将重建CMB的引力透镜，并确定其中有多少是由宇宙中微子引起的，这将使他们能够计算出这些粒子的质量。
由于LAT将在其生命周期内反复探测相同的天区，它还能够跟踪太阳系中小行星的运动，并监测其他星系中心的活跃黑洞，以及它们如何随时间变化。“我们将能够追踪2万个或更多的活动星系核，我们认为它们是带有喷流的超大质量黑洞。”Dunkley说。
西蒙斯天文台将运行2次，每次运行时间约为4年，其间计划投入5300万美元进行升级。美国能源部和美国国家科学基金会将领导一个更加雄心勃勃的项目CMB-S4作为接续并在本世纪30年代中期开始观测。