圖為西蒙斯天文臺大口徑望遠鏡接收器的正面，該天文臺是迄今建造的用于觀測宇宙微波背景的最大設(shè)施。圖片來源：賓夕法尼亞大學(xué)

科技日報記者?劉霞

宇宙微波背景輻射（CMB）被稱為宇宙大爆炸的“余暉”。據(jù)英國《自然》雜志網(wǎng)站近日報道，棲身于智利北部阿塔卡馬沙漠Cerro Toco海拔5300米處的西蒙斯天文臺將于幾周內(nèi)竣工，其能以更精致的細節(jié)，為CMB繪制“肖像畫”。該天文臺靈敏度將是歐洲普朗克衛(wèi)星的10倍。

天文臺團隊主要成員之一、美國普林斯頓大學(xué)宇宙學(xué)家喬·鄧克利指出，它將為天文學(xué)家提供迄今對CMB最好的觀測，并尋找源于宇宙大爆炸的引力波的“蛛絲馬跡”，從而揭示宇宙暴脹的秘密。

暴脹仍是未解之謎

西蒙斯天文臺耗資1.095億美元，由5所美國大學(xué)和勞倫斯伯克利國家實驗室牽頭。西蒙斯天文臺的主要使命之一是尋找宇宙大爆炸產(chǎn)生的引力波在CMB中留下的痕跡。這些痕跡將為宇宙暴脹提供第一個無可辯駁的證據(jù)。2014年，位于南極的CMB觀測站“第二代宇宙泛星系偏振背景成像望遠鏡”（BICEP2）實驗團隊稱檢測到暴脹特征，但后來發(fā)現(xiàn)看到的是星系塵埃。

宇宙暴脹持續(xù)時間非常短，倏忽之間，宇宙以指數(shù)級速度膨脹?？茖W(xué)家認為，在宇宙暴脹期間，微觀尺度上的量子波動為宇宙中的大尺度結(jié)構(gòu)，包括目前宇宙中星系團的分布“播撒下”種子。

許多宇宙學(xué)家認為，暴脹是賦予宇宙結(jié)構(gòu)機制中最合理的那個。暴脹的性質(zhì)和特性仍是未解之謎。鑒于此，科學(xué)家提出了許多理論，預(yù)測各種強度引力波的特征。

尋找宇宙暴脹確鑿證據(jù)

西蒙斯天文臺由四臺望遠鏡陣列組成。其中包括三臺0.4米小孔徑望遠鏡（SAT），以及一臺6米大孔徑望遠鏡（LAT）。它們將一起繪制出每一片天空中CMB溫度的細微變化，以及CMB在太空傳播時輻射電場優(yōu)先擺動的方向。

三臺SAT望遠鏡將集中觀測南部20%的天空區(qū)域，研究CMB偏振場中的大規(guī)模漩渦，科學(xué)家有望在偏振圖中發(fā)現(xiàn)B模式，這是指示宇宙暴脹的信號。

LAT則將以更精微的分辨率繪制40%的天空，并記錄CMB的溫度波動及CMB的偏振。參與普朗克探測計劃及其他CMB項目的宇宙學(xué)家能夠通過繪制這些溫度波動的強度，以及與其所跨天空的面積來提取大量信息。

LAT提供的數(shù)據(jù)也可以幫助科學(xué)家在小型望遠鏡繪制的低分辨率偏振圖像內(nèi)探測到宇宙暴脹的信號。賓夕法尼亞大學(xué)宇宙學(xué)家、西蒙斯天文臺聯(lián)合主任馬克·德夫林解釋說，LAT捕獲的數(shù)據(jù)對于將B模式與銀河系中的塵埃等產(chǎn)生的虛假信號分離開來至關(guān)重要。這項實驗探測偏振模式的敏感度將是此前測量方法的6倍。

身負多項使命

尋找宇宙暴脹信號只是西蒙斯天文臺的目標之一。團隊計劃從該天文臺獲取的高分辨率CMB圖譜中抓取到更多科學(xué)信息，從而可以研究CMB在到達地球前138億年的太空旅行中受到了哪些影響。

CMB會由于大星系團和暗物質(zhì)引力的影響而扭曲變形，這種現(xiàn)象被稱為引力透鏡，相關(guān)數(shù)據(jù)可用于制作這些星系團的3D圖譜。在最新研究中，西蒙斯團隊將重建CMB在所經(jīng)歷的引力透鏡，并確定其中有多少由宇宙中微子引起。這將使研究團隊能夠計算出這些粒子質(zhì)量。

鑒于LAT會在“有生之年”重復(fù)掃描相同的天空區(qū)域，它還能夠跟蹤太陽系內(nèi)小行星，以及其他星系中心活躍黑洞的運動情況。鄧克利表示，他們將能追蹤20000個或更多活躍星系核的“行為舉止”，他們認為這些星系核是帶有噴流的超大質(zhì)量黑洞。

據(jù)悉，該天文臺將運行兩輪，每輪持續(xù)約四年時間，其間管理團隊計劃耗資5300萬美元進行升級。該項目結(jié)束后，由美國能源部和國家科學(xué)基金會牽頭的CMB-S4項目將“接棒”，繼續(xù)搜捕宇宙暴脹。