迄今为止最清晰的380000岁宇宙图像揭示了宇宙的婴儿期
阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）合作的研究得出了迄今为止宇宙婴儿期最清晰的图像。左边是一张新的半天空图像的一部分，其中三种波长的光被组合在一起，以突出银河系（紫色）和宇宙微波背景（灰色）。右边是猎户座星云的特写。图片；uux.cn/ACT合作
（神秘的地球uux.cn）据普林斯顿大学：阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）合作的新研究产生了迄今为止最清晰的宇宙婴儿期图像，这是人类迄今为止可以获得的最早的宇宙时间。这些新图像测量了130多亿年来到达智利安第斯山脉高处的望远镜的光线，揭示了宇宙大约38万年前的样子——相当于现在中年宇宙的婴儿照片。
普林斯顿大学ACT主任兼Henry deWolf Smyth物理学教授Suzanne Staggs说：“我们看到了制造最早恒星和星系的第一步。”。“我们不仅能看到光和暗，还能以高分辨率看到光的偏振。这是区分ACT与普朗克和其他早期望远镜的一个决定性因素。”
这种被称为宇宙微波背景辐射（CMB）的背景辐射的新图像为普朗克太空望远镜十多年前观测到的图像增添了更高的清晰度。奥斯陆大学的研究员、与该项目相关的几篇论文之一的主要作者Sigurd Naess说：“ACT的分辨率是普朗克的五倍，灵敏度更高。”。“这意味着微弱的偏振信号现在可以直接看到。”
极化图像揭示了宇宙初期氢气和氦气的详细运动。斯塔格斯说：“以前，我们得看看东西在哪里，现在我们也能看到它们是如何移动的。”。“就像用潮汐来推断月球的存在一样，光的偏振追踪的运动告诉我们，在太空的不同部分，重力的拉力有多大。”
研究小组表示，新的结果证实了一个简单的宇宙模型，并排除了大多数竞争性的替代方案。这项工作尚未经过同行评审，但研究人员将在3月19日的美国物理学会年会上公布他们的研究结果。
测量宇宙的婴儿期
在大爆炸后的最初几十万年里，充满宇宙的原始等离子体非常热，以至于光无法自由传播，使宇宙实际上不透明。CMB代表了我们可以看到的宇宙历史的第一个阶段——实际上，是宇宙的婴儿图片。
新的图像清晰地显示了充满年轻宇宙的气体密度和速度的非常非常微妙的变化。Naess说：“还有其他当代望远镜以低噪声测量偏振，但它们都没有像ACT那样覆盖那么多的天空。”。
在光照强度下看起来像朦胧云的是氢和氦海洋中密度越来越小的区域——绵延数百万光年的丘陵和山谷。在接下来的数百万到数十亿年里，引力将密度更大的气体区域向内拉，以形成恒星和星系。
此图中的色带显示了新图像捕获的宇宙历史中的时间段。图片：uux.cn/Lucy Reading Ikkanda绘制，西蒙斯基金会
这些新生宇宙的详细图像正在帮助科学家回答关于宇宙起源的长期问题。普林斯顿大学Joseph Henry物理学和天体物理学教授、ACT分析负责人Jo Dunkley说：“通过回顾那个事情简单得多的时代，我们可以拼凑出我们的宇宙是如何进化到我们今天所处的丰富而复杂的地方的故事。”。
卡迪夫大学天体物理学教授、其中一篇新论文的主要作者Erminia Calabrese说：“我们更精确地测量到，可观测宇宙从我们的各个方向延伸了近500亿光年，其质量相当于1900泽太阳，”或近2万亿兆太阳。另外500泽太阳的质量是神秘的暗物质，相当于1300泽太阳的真空能量（也称为暗能量）占主导地位。
微小的中微子粒子最多组成四个zetta太阳的质量。在正常物质中，四分之三的质量是氢，四分之一是氦。
巴黎萨克雷大学IJCLab的CNRS研究员、新论文的主要作者之一Thibaut-Louis说：“宇宙中几乎所有的氦都是在宇宙时间的前三分钟产生的。”。“我们对其丰度的新测量结果与理论模型和星系观测结果非常吻合。”
我们人类所由的元素——主要是碳，还有氧、氮、铁，甚至还有微量的金——是后来在恒星中形成的，只是宇宙炖菜中的一小部分。
ACT的新测量结果也完善了对宇宙年龄及其当今增长速度的估计。早期宇宙中物质的流入在太空中发出声波，就像池塘上的涟漪一样。
宾夕法尼亚大学Reese W.Flower天文学教授、ACT副主任Mark Devlin解释说：“一个更年轻的宇宙必须更快地膨胀才能达到目前的大小，我们测量的图像似乎是从附近传来的。”。“在这种情况下，图像中波纹的明显程度会更大，就像靠近你脸的尺子看起来比手臂长的尺子大一样。”
新的数据证实，宇宙的年龄为138亿年，不确定性仅为0.1%。
宇宙微波背景辐射的新图像（左侧为半天空图像，右侧为特写）将阿塔卡马宇宙学望远镜的高清晰度添加到普朗克卫星的早期图像中。橙色和蓝色代表或多或少强烈的辐射，揭示了宇宙密度的新特征。银河系在半边天视图中显示为一条红色带。图片：uux.cn/ACT合作；欧空局/普朗克合作
哈勃张力
近年来，宇宙学家对哈勃常数存在分歧，哈勃常数是当今太空扩张的速度。CMB的测量结果一直显示，膨胀率为每秒67至68公里/兆秒差距，而附近星系运动的测量结果表明，哈勃常数高达73至74公里/秒/兆帕。利用他们新发布的数据，ACT团队以更高的精度测量了哈勃常数。他们的测量结果与之前CMB得出的估计值相匹配。
马克斯·普朗克天体物理研究所研究员、其中一篇新论文的主要作者Adriaan Duivenvoorden说：“我们对天空进行了全新的测量，对宇宙学模型进行了独立检查，我们的结果表明它成立了。”。
这项工作的一个主要目标是研究解释分歧的宇宙替代模型。哥伦比亚大学助理教授、新论文的主要作者之一科林·希尔说：“我们想看看我们是否能找到一个与我们的数据相匹配的宇宙学模型，并预测更快的膨胀率。”。替代方案包括改变中微子和不可见暗物质的行为方式，在早期宇宙中增加一段加速膨胀期，或改变自然界的基本常数。
希尔说：“我们使用CMB作为早期宇宙中新粒子或场的探测器，探索以前未知的地形。”。“ACT数据没有显示出这种新信号的证据。根据我们的新结果，宇宙学的标准模型已经通过了非常精确的测试。”
斯塔格斯说：“我们甚至没有发现支持更高价值的部分证据，这让我们有点惊讶。”。“在一些领域，我们认为我们可能会看到解释紧张局势的证据，但数据中没有这些证据。”
5年暴露
ACT测量的背景辐射非常微弱。德夫林说：“为了进行这项新的测量，我们需要用一台调谐到毫米波的灵敏望远镜进行5年的曝光。”。“我们在美国国家标准与技术研究所的同事提供了具有尖端灵敏度的探测器，美国国家科学基金会20多年来一直支持ACT的使命，让我们走到了这一步。”
在测量天空时，ACT还看到了太空中其他物体发出的光。邓克利说：“我们可以追溯宇宙历史，从我们自己的银河系，到遥远的星系，那里有巨大的黑洞和星系团，一直到婴儿期。”
ACT于2022年完成了观测，现在人们的注意力转向了位于智利同一地点的新的、功能更强大的西蒙斯天文台。新的ACT数据在美国国家航空航天局的LAMBDA档案中公开共享。
