星系。恒星，星際氣體，塵埃，恒星碎片和暗物質(zhì)的混合。他們?cè)诤涞挠钪嬷新?，重力引誘了他們的擁抱。有時(shí)，星系會(huì)滾滾成巨大的星系團(tuán)，其質(zhì)量平均是太陽(yáng)的100萬(wàn)億倍。

但這并非總是如此。

在嬰兒宇宙中，溫度是如此之高，以至于電子和質(zhì)子太熱而無(wú)法形成原子。一切都是熱的，電離的氣體，與太陽(yáng)表面不同。

在接下來(lái)的40萬(wàn)年中，宇宙膨脹并冷卻到大約3,000攝氏度，大約相當(dāng)于工業(yè)熔爐的溫度。在這些溫度下，電子和質(zhì)子在此過程中結(jié)合成氫原子并釋放出光子。從那時(shí)起，這種稱為宇宙微波背景輻射的光一直在空間中傳播，這是時(shí)空的水印。

現(xiàn)在，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了從這種取之不盡的時(shí)光機(jī)器中取笑信息的新方法。

用CMB極化約束宇宙學(xué)

在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和芝加哥大學(xué)的科學(xué)家布拉德·本森及其同事使用宇宙微波背景的極化或取向，使用一種新的數(shù)學(xué)估計(jì)器來(lái)計(jì)算巨大星系團(tuán)的質(zhì)量。這是科學(xué)家第一次使用CMB的極化和新穎的估算方法測(cè)量這些質(zhì)量。

本森說(shuō)：“做出這一估計(jì)很重要，因?yàn)榇蠖鄶?shù)星系團(tuán)的質(zhì)量甚至都不可見-它是暗物質(zhì)，它不發(fā)光，而是通過引力相互作用，占整個(gè)宇宙物質(zhì)的85%。”

科學(xué)家的工作最終可能會(huì)揭示暗物質(zhì)，暗能量和宇宙學(xué)參數(shù)，從而揭示更多有關(guān)宇宙中結(jié)構(gòu)形成的信息。

在Amundsen-Scott南極站，被稱為“燒杯”的支持人員和科學(xué)家日以繼夜地管理南極望遠(yuǎn)鏡。這不是一件容易的事。阿蒙森-斯科特南極站位于地球上最南端，那里的平均氣溫為攝氏零下47攝氏度，太陽(yáng)每年升起并落山一次。但是南極望遠(yuǎn)鏡(一種稱為CMB的10米望遠(yuǎn)鏡)負(fù)責(zé)觀測(cè)宇宙微波的背景，在這種惡劣的環(huán)境中，它具有超過其科學(xué)目標(biāo)的能力。

南極望遠(yuǎn)鏡上的相機(jī)測(cè)量的CMB光線在南方天空上偏振的微小波動(dòng)平均約為1億分之一，比迄今為止任何其他實(shí)驗(yàn)都要敏感。

本森說(shuō)：“這些微小的變化可能受到諸如銀河星團(tuán)之類的大物體的影響，這些星團(tuán)充當(dāng)透鏡，在我們的信號(hào)中產(chǎn)生獨(dú)特的失真。”

本森和其他科學(xué)家正在尋找的信號(hào)是星系團(tuán)周圍的小規(guī)模漣漪-一種稱為引力透鏡效應(yīng)。通過查看一個(gè)透明的酒杯的底部，您會(huì)看到類似的效果，在該酒杯的后面點(diǎn)燃蠟燭。

本森說(shuō)：“如果在火焰下透過酒杯底座的底部看，就會(huì)看到一束光。這就像我們從強(qiáng)重力透鏡上看到的效果一樣。”“我們?cè)谶@里看到了類似的效果，除了失真要弱得多，CMB的光散布在天空上更大的區(qū)域上。”

但是有一個(gè)問題?？茖W(xué)家估計(jì)，即使使用他們的新數(shù)學(xué)估計(jì)器，他們也需要查看大約17,000個(gè)星系團(tuán)，以測(cè)量CMB的引力透鏡效應(yīng)，并確定地估計(jì)星系團(tuán)的質(zhì)量。盡管南極望遠(yuǎn)鏡提供了對(duì)CMB極化的更深入，更靈敏的測(cè)量，但其星系位置庫(kù)僅包含約1,000個(gè)星系團(tuán)。

目的地：智利

為了確定更多的星系團(tuán)位置，以檢查CMB光線在星系團(tuán)周圍的引力透鏡，科學(xué)家需要從南極以北約6,000公里到達(dá)智利的阿塔卡馬地區(qū)，該地區(qū)是塞羅·托洛洛美洲天文臺(tái)的所在地。暗能量相機(jī)安裝在海拔2200米的塞羅托洛洛(Cerro Tololo)的4米布蘭科望遠(yuǎn)鏡上，是世界上最大的數(shù)碼相機(jī)之一。它的520兆像素能夠看到來(lái)自數(shù)十億光年遠(yuǎn)的物體的光，并以前所未有的質(zhì)量捕獲它們。最重要的是，攝像機(jī)捕獲了科學(xué)家觀察17,000個(gè)星系團(tuán)的光和位置，以觀察星系團(tuán)對(duì)CMB光的引力透鏡。

科學(xué)家使用費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的暗能量調(diào)查獲得的三年數(shù)據(jù)，確定了這些星團(tuán)的位置，然后將這些位置放入計(jì)算機(jī)程序中，以搜索這些星團(tuán)在CMB極化中的引力透鏡證據(jù)。一旦發(fā)現(xiàn)證據(jù)，他們就可以使用新的數(shù)學(xué)估計(jì)器自己計(jì)算星系團(tuán)的質(zhì)量。

目的地：未受破壞的地方

在當(dāng)前的研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)星系團(tuán)的平均質(zhì)量約為我們太陽(yáng)質(zhì)量的100萬(wàn)億倍，這一估計(jì)與其他方法相符。這種物質(zhì)的很大一部分是暗物質(zhì)。

為了更深入地探索，科學(xué)家計(jì)劃使用2017年安裝的升級(jí)版南極望遠(yuǎn)鏡相機(jī)SPT-3G和下一代CMB實(shí)驗(yàn)CMB-S4進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn)，這將進(jìn)一步提高靈敏度和更多的星系團(tuán)檢查。

CMB-S4將由專用望遠(yuǎn)鏡組成，這些望遠(yuǎn)鏡將在南極，智利阿塔卡馬高原和可能的北半球站點(diǎn)運(yùn)行，配備高靈敏度超導(dǎo)照相機(jī)，從而使研究人員能夠限制通貨膨脹，暗能量以及中微子的數(shù)量和質(zhì)量的參數(shù)，甚至大規(guī)模測(cè)試廣義相對(duì)論。

有天賦的講故事者和美食作家安東尼·布爾登(Anthony Bourdain)曾經(jīng)稱南極洲為“地球上最后一個(gè)未被破壞的地方……人們聚在一起探索純科學(xué)的藝術(shù)，尋找所謂的事實(shí)。”

科學(xué)家們遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了南極洲，到達(dá)了我們宇宙最遙遠(yuǎn)的另一個(gè)未受污染的地方，以應(yīng)對(duì)基本的宇宙學(xué)參數(shù)和我們宇宙中結(jié)構(gòu)的行為。