地球上空能量波的“摆动”可能保存着宇宙的历史

CLASS 望远镜观察夜空以观察宇宙微波背景中的能量波动。 （图片来源：约翰霍普金斯大学）

通过测量能量波在地球上空的摆动方式，科学家们创造了一种方法来深入研究我们 138 亿年宇宙的历史——从它的“第一束光”开始。

该团队由约翰霍普金斯大学天体物理学家领导，使用一系列被称为宇宙学大角尺度测量仪（CLASS）的微波望远镜绘制了地球上 75% 的天空地图。该天文台位于安第斯山脉，距智利阿塔卡马沙漠约 16,860 英尺。

CLASS 进行的测量与“微波偏振”有关，与光波排列的方向相关。这些测量将帮助科学家过滤从银河系释放的与宇宙第一束光（一种称为“宇宙微波背景”或CMB的天体化石）相关的辐射波长。

“通过研究宇宙微波背景的偏振，天体物理学家可以推断宇宙早期的样子，”团队联合负责人、约翰·霍普金斯大学物理和天文学教授托拜厄斯·马里奇在一份声明中说。“天体物理学家可以追溯到非常非常早的时代——初始条件、宇宙中物质和能量分布最初形成的最初时刻——并且可以将所有这些与我们今天所看到的联系起来。”

CMB 由大爆炸后约 3.8 亿年发生的事件的残余光组成，该事件发生在一个被称为“重组时代”的时期。到目前为止，宇宙充满了炽热、致密的等离子体，使其变得不透明。这些所谓的宇宙黑暗时代是由自由电子在称为光子的光粒子周围无休止地弹跳引起的。 

然后，当宇宙膨胀和冷却到足以使电子与质子结合、产生第一个原子并产生宇宙最轻、最简单的元素：氢时，重组时代开始了。自由电子的突然消失意味着光子立即可以自由传播，宇宙对光变得透明。 

今天，这第一道光被称为宇宙微波背景（CMB）。

因为它可以追溯到宇宙比现在密度大得多的时候，宇宙微波背景几乎均匀地分布在整个宇宙中。尽管如此，CMB 中仍然存在微小的变化，而且由于这种辐射已经存在了大约 134 亿年，正是这些变化讲述了物质的故事及其分布是如何演变的。这包括第一批恒星、星系和星系团的形成。

美国国家科学基金会天文科学部项目主任奈杰尔·夏普（Nigel Sharp）表示：“研究宇宙诞生之初的遗迹辐射对于理解整个宇宙是如何形成以及为什么会变成现在这个样子至关重要。”声明中称，CLASS已有十多年历史。“这些新的测量结果为我们不断增长的宇宙背景辐射变化图景提供了重要的大尺度细节——这一壮举尤其令人印象深刻，因为它是使用地面仪器实现的。”

（上）新的 CLASS 偏振天空图比相应的卫星地图（下）噪音更少。偏振方向由红色和蓝色表示，而偏振强度由颜色深度表示。灰色部分描绘了 CLASS 望远镜因其地理位置而无法观测到的天空部分。（图片来源：约翰霍普金斯大学）

CLASS 地图可让您深入了解称为线性偏振的微波信号，当光被限制在单个平面内时会发出这种信号。微波的线性极化是银河系磁场高速鞭打电子的结果。因此，这个信号可以帮助研究银河系，但它也可能妨碍使用宇宙微波背景研究早期宇宙。

通过清晰地绘制微波天空图并允许科学家过滤掉线性偏振微波，CLASS 可以提高我们对早期宇宙中存在的物理过程的理解。这些过程能够产生圆偏振背景。当光表现为二维横波时，就会发生圆偏振；它与线性偏振微波不同。