迄今为止最清晰的宇宙婴儿照

在智利北部的阿塔卡马沙漠，一台在2007年至2022年间运行的望远镜——阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT），经过15年的观测，公布了其最终的数据，并生成了迄今为止最清晰的宇宙“婴儿时期”的图像。近日，ACT合作组发布了这些图像，为人类揭示了可观测宇宙最早期的状态。

  宇宙微波背景 

ACT的核心目标是高精度测量宇宙微波背景（CMB）的温度和极化各向异性。

那么，什么是CMB呢？

在大爆炸后的最初几十万年里，宇宙充满了炽热的等离子体，光子不断被电子散射，导致光无法自由传播。这也意味着当时的宇宙处于不透明状态。到了大爆炸后的约38万年，宇宙已经冷却到足以使电子和质子结合，形成稳定的中性氢。这个时候，光子不再受阻，可以自由地传播。

今天，这些光仍然弥漫在宇宙中，并且它们的波长也随着宇宙的膨胀被拉伸到更长的微波。因此，这些能够被探测到的最古老的光，也被称为CMB。CMB代表了我们所能观测到的宇宙历史的第一个阶段。

插图中的彩色区域显示了新图像所捕捉到的宇宙历史时期。（图/Lucy Reading Ikkanda, Simons Foundation）

  ACT的突破  

ACT并不是首个探测CMB的望远镜，但与十多年前普朗克卫星绘制的CMB图像相比，新的CMB图像具有更高的分辨率。

事实上，ACT测量的光的强度和偏振的分辨率比普朗克高五倍，灵敏度提升了三倍。这一改进使得ACT不仅能够更清晰地观测最早的恒星和星系的形成，还能直接探测到极其微弱的偏振信号。

这种偏振特征很重要，因为它揭示了处于宇宙婴儿时期的氢气和氦气是如何运动的。

ACT与普朗克卫星数据结合后获得的CMB图（左），以及局部高清CMB特写（右）。橙色和蓝色代表CMB中辐射强度的变化，揭示了宇宙密度的微小起伏。银河系在图像中呈红色。（图/ACT Collaboration; ESA/Planck Collaboration）

新图像还清晰地显示了婴儿宇宙中气体的密度和速度的微小变化，揭示了这片原始的氢和氦的“海洋”中，高密度和低密度区域的分布。这些早期的宇宙“山丘”与“山谷”绵延数百万光年。在随后的数百万年至数十亿年间，引力逐渐将高密度气体区域向内拉拢，最终形成了恒星与星系。

  标准宇宙学模型的验证  

这些新的高分辨率图像，正在帮助科学家解答关于宇宙起源的关键问题。它们提供了迄今为止对宇宙年龄的最精确测量，并对宇宙的基本属性进行了深入验证。

新测量结果表明，可观测宇宙的半径约为500亿光年，总质量相当于1900个“ζ-太阳”（约1.9×10²⁴个太阳质量）。其中，普通物质（可直接观测的物质）仅占100个ζ-太阳的质量，而暗物质占约500个ζ-太阳的质量，剩余的1300个ζ-太阳质量是导致宇宙加速膨胀的暗能量。

这些观测数据为标准宇宙学模型提供了迄今最严格的检验。尽管研究人员使用不同的方法进行了额外测试，但迄今未发现任何超出该模型的异常现象。ACT的测量结果再次证明，该模型能够精准描述宇宙的演化历史。

除了CMB观测，ACT在测量过程中还捕捉到了来自其他宇宙天体的信号。通过这些数据，天文学家可以回溯宇宙的历史——从银河系，到拥有超大质量黑洞的遥远星系，再到巨大星系团，最终一直追溯到宇宙的婴儿期。

这些研究结果不仅验证了标准宇宙学模型的稳健性，也展现了CMB测量在探索宇宙演化历程中的强大能力——从宇宙诞生之初到恒星和星系的形成。

  未来展望  

ACT已于2022年完成全部观测任务，未来的研究重心将转向下一代望远镜——西蒙斯天文台（Simons Observatory）。该望远镜将建于ACT的同一地点，并具备更先进的探测能力。

此外，ACT的所有数据现已公开，供全球研究人员自由访问，为未来的宇宙学研究提供宝贵资源。这项研究不仅让我们更清晰地看到宇宙的过去，也帮助我们理解其未来的演化方向。