迄今為止最清晰的380000歲宇宙圖像揭示了宇宙的嬰兒期 _宇宙

阿塔卡馬宇宙學望遠鏡（ACT）合作的研究得出了迄今為止宇宙嬰兒期最清晰的圖像。左邊是一張新的半天空圖像的一部分，其中三種波長的光被組合在一起，以突出銀河系（紫色）和宇宙微波背景（灰色）。右邊是獵戶座星云的特寫。圖片；ACT合作
據普林斯頓大學：阿塔卡馬宇宙學望遠鏡（ACT）合作的新研究產生了迄今為止最清晰的宇宙嬰兒期圖像，這是人類迄今為止可以獲得的最早的宇宙時間。這些新圖像測量了130多億年來到達智利安第斯山脈高處的望遠鏡的光線，揭示了宇宙大約38萬年前的樣子——相當于現在中年宇宙的嬰兒照片。
普林斯頓大學ACT主任兼Henry deWolf Smyth物理學教授Suzanne Staggs說：“我們看到了制造最早恒星和星系的第一步。” 。“我們不僅能看到光和暗，還能以高分辨率看到光的偏振。這是區分ACT與普朗克和其他早期望遠鏡的一個決定性因素。”
這種被稱為宇宙微波背景輻射（CMB）的背景輻射的新圖像為普朗克太空望遠鏡十多年前觀測到的圖像增添了更高的清晰度。奧斯陸大學的研究員、與該項目相關的幾篇論文之一的主要作者Sigurd Naess說：“ACT的分辨率是普朗克的五倍，靈敏度更高。” 。“這意味著微弱的偏振信號現在可以直接看到。”
極化圖像揭示了宇宙初期氫氣和氦氣的詳細運動。斯塔格斯說：“以前，我們得看看東西在哪里，現在我們也能看到它們是如何移動的。” 。“就像用潮汐來推斷月球的存在一樣，光的偏振追蹤的運動告訴我們，在太空的不同部分，重力的拉力有多大。”
研究小組表示，新的結果證實了一個簡單的宇宙模型，并排除了大多數競爭性的替代方案。這項工作尚未經過同行評審，但研究人員將在3月19日的美國物理學會年會上公布他們的研究結果。
測量宇宙的嬰兒期
在大爆炸后的最初幾十萬年里，充滿宇宙的原始等離子體非常熱，以至于光無法自由傳播，使宇宙實際上不透明。CMB代表了我們可以看到的宇宙歷史的第一個階段——實際上，是宇宙的嬰兒圖片。
新的圖像清晰地顯示了充滿年輕宇宙的氣體密度和速度的非常非常微妙的變化。Naess說：“還有其他當代望遠鏡以低噪聲測量偏振，但它們都沒有像ACT那樣覆蓋那么多的天空。” 。
在光照強度下看起來像朦朧云的是氫和氦海洋中密度越來越小的區域——綿延數百萬光年的丘陵和山谷。在接下來的數百萬到數十億年里，引力將密度更大的氣體區域向內拉，以形成恒星和星系。

此圖中的色帶顯示了新圖像捕獲的宇宙歷史中的時間段。圖片：Lucy Reading Ikkanda繪制，西蒙斯基金會
這些新生宇宙的詳細圖像正在幫助科學家回答關于宇宙起源的長期問題。普林斯頓大學Joseph Henry物理學和天體物理學教授、ACT分析負責人Jo Dunkley說：“通過回顧那個事情簡單得多的時代，我們可以拼湊出我們的宇宙是如何進化到我們今天所處的豐富而復雜的地方的故事。” 。
卡迪夫大學天體物理學教授、其中一篇新論文的主要作者Erminia Calabrese說：“我們更精確地測量到，可觀測宇宙從我們的各個方向延伸了近500億光年，其質量相當于1900澤太陽，”或近2萬億兆太陽。另外500澤太陽的質量是神秘的暗物質，相當于1300澤太陽的真空能量（也稱為暗能量）占主導地位。
微小的中微子粒子最多組成四個zetta太陽的質量。在正常物質中，四分之三的質量是氫，四分之一是氦。
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：“宇宙中幾乎所有的氦都是在宇宙時間的前三分鐘產生的。” 。“我們對其豐度的新測量結果與理論模型和星系觀測結果非常吻合。”
我們人類所由的元素——主要是碳，還有氧、氮、鐵，甚至還有微量的金——是后來在恒星中形成的，只是宇宙燉菜中的一小部分。
ACT的新測量結果也完善了對宇宙年齡及其當今增長速度的估計。早期宇宙中物質的流入在太空中發出聲波，就像池塘上的漣漪一樣。
賓夕法尼亞大學Reese W.Flower天文學教授、ACT副主任Mark Devlin解釋說：“一個更年輕的宇宙必須更快地膨脹才能達到目前的大?。?我們測量的圖像似乎是從附近傳來的。” 。“在這種情況下，圖像中波紋的明顯程度會更大，就像靠近你臉的尺子看起來比手臂長的尺子大一樣。”
新的數據證實，宇宙的年齡為138億年，不確定性僅為0.1% 。

宇宙微波背景輻射的新圖像（左側為半天空圖像，右側為特寫）將阿塔卡馬宇宙學望遠鏡的高清晰度添加到普朗克衛星的早期圖像中。橙色和藍色代表或多或少強烈的輻射，揭示了宇宙密度的新特征。銀河系在半邊天視圖中顯示為一條紅色帶。圖片：ACT合作；歐空局/普朗克合作
哈勃張力
近年來，宇宙學家對哈勃常數存在分歧，哈勃常數是當今太空擴張的速度。CMB的測量結果一直顯示，膨脹率為每秒67至68公里/兆秒差距，而附近星系運動的測量結果表明，哈勃常數高達73至74公里/秒/兆帕。利用他們新發布的數據，ACT團隊以更高的精度測量了哈勃常數。他們的測量結果與之前CMB得出的估計值相匹配。
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：“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，我們的結果表明它成立了。” 。
這項工作的一個主要目標是研究解釋分歧的宇宙替代模型。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：“我們想看看我們是否能找到一個與我們的數據相匹配的宇宙學模型，并預測更快的膨脹率。” 。替代方案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，或改變自然界的基本常數。
希爾說：“我們使用CMB作為早期宇宙中新粒子或場的探測器，探索以前未知的地形。” 。“ACT數據沒有顯示出這種新信號的證據。根據我們的新結果，宇宙學的標準模型已經通過了非常精確的測試。”
斯塔格斯說：“我們甚至沒有發現支持更高價值的部分證據，這讓我們有點驚訝。” 。“在一些領域，我們認為我們可能會看到解釋緊張局勢的證據，但數據中沒有這些證據。”
5年暴露
ACT測量的背景輻射非常微弱。德夫林說：“為了進行這項新的測量，我們需要用一臺調諧到毫米波的靈敏望遠鏡進行5年的曝光。” 。“我們在美國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20多年來一直支持ACT的使命，讓我們走到了這一步。”
在測量天空時，ACT還看到了太空中其他物體發出的光。鄧克利說：“我們可以追溯宇宙歷史，從我們自己的銀河系，到遙遠的星系，那里有巨大的黑洞和星系團，一直到嬰兒期。”
ACT于2022年完成了觀測，現在人們的注意力轉向了位于智利同一地點的新的、功能更強大的西蒙斯天文臺。新的ACT數據在美國國家航空航天局的LAMBDA檔案中公開共享。