开创性的南极太空望远镜研究使暗物质成为焦点

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南极望远镜的相机在2017年进行了升级。对初始观测数据的分析刚刚发表在《物理评论D》杂志上,图片来源:Brad Benson/芝加哥大学。

来自初始数据的引力透镜图有望提供更多细节。

阿贡是多机构努力的一部分,旨在调查天空,以寻找有关我们宇宙起源和性质的线索。

五年多来,南极洲南极望远镜的科学家们一直在用升级的相机观察天空。对宇宙的延伸凝视正在从宇宙的早期形成中获取残余的光。现在,研究人员已经分析了第一批数据,并在《物理评论D》杂志上发表了细节。这个有限数据集的结果暗示了未来对我们宇宙本质的更强大的见解。

宇宙微波背景分析的突破

该望远镜位于美国国家科学基金会的阿蒙森-斯科特南极站,于2017年收到了一台名为SPT-3G的新相机,该相机由芝加哥大学领导的合作项目建造并运营。

 

SPT-3G配备了16,000个探测器,是其前身的10倍,是阿贡国家实验室领导的多机构研究的核心。目标是测量被称为宇宙微波背景的微弱光。宇宙微波背景是大爆炸的余辉,当时宇宙在近140亿年前从一个能量点爆发出来。

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宇宙微波背景 – 宇宙最古老的光 – 在到达我们之前已经穿越了很远的距离。在它的漫长旅程中,来自大质量宇宙结构的引力导致它的轨迹弯曲,然后被南极望远镜捕捉到。图片来源:潘兆娣/阿贡国家实验室

“CMB是宇宙学家的藏宝图,”该论文的主要作者、阿贡大学的Maria Goeppert Mayer研究员Zhaodi Pan说。“它在温度和极化的微小变化为了解宇宙的婴儿期提供了一个独特的窗口。

引力透镜和暗物质洞察

《物理评论D》上的这篇论文提供了SPT-3G的首次CMB引力透镜测量。当宇宙巨大的物质网络在穿越太空时扭曲CMB时,就会发生引力透镜。如果你把酒杯的弧形底座放在书页上,酒杯会扭曲你对它后面文字的视线。同样,望远镜视线中的物质形成了一个透镜,弯曲了CMB光和我们对它的观察。阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)在他的广义相对论中描述了时空结构中的这种扭曲。

“CMB是宇宙学家的藏宝图。它在温度和极化方面的微小变化为了解宇宙的婴儿期提供了一个独特的窗口。

对这种扭曲的测量提供了关于早期宇宙和暗物质等奥秘的线索,暗物质是宇宙中看不见的组成部分。“暗物质很难探测到,因为它不与光或其他形式的电磁辐射相互作用。目前,我们只能通过引力相互作用来观察它,“潘说。

自 1960 年代发现 CMB 以来,科学家们一直在研究它,通过地面和太空中的望远镜观察它。尽管最新的分析仅使用了2018年几个月的SPT-3G数据,但引力透镜的测量已经在该领域具有竞争力。

“这项研究真正令人兴奋的部分之一是,结果来自我们刚刚开始使用SPT-3G进行观测时的调试数据 – 结果已经很好了,”Amy Bender说,他是Argonne的物理学家和论文的合著者。“我们还有五年的数据,我们现在正在努力分析,所以这只是暗示了即将发生的事情。

前景广阔的未来研究方向

南极望远镜干燥、稳定的大气层和偏远的位置在寻找CMB模式时会产生尽可能少的干扰。尽管如此,来自高度灵敏的SPT-3G相机的数据仍包含来自大气层以及我们自己的星系和银河系外来源的污染。分析来自SPT-3G的几个月的数据也是一项持续数年的工作,因为研究人员需要验证数据,过滤掉噪声并解释测量结果。该团队在阿贡实验室计算资源中心使用了一个专用集群,一组计算机来运行研究的一些计算。

“我们发现,在这项研究中观察到的透镜模式可以用广义相对论很好地解释,”潘说。“这表明我们目前对重力的理解适用于这些大尺度。这些结果也加强了我们对宇宙中物质结构如何形成的现有理解。

SPT-3G从额外年份的数据中绘制透镜图也将有助于探测宇宙膨胀,或者早期宇宙经历了快速指数膨胀的想法。潘指出,宇宙膨胀是“宇宙学的另一块基石”,科学家们正在寻找早期引力波的迹象和这一理论的其他直接证据。引力透镜的存在会引入对膨胀印记的干扰,因此需要去除这种污染,这可以使用精确的透镜测量来计算。

虽然新的SPT-3G数据的一些结果将加强现有知识,但其他结果将提出新的问题。

“每次我们添加更多数据时,我们都会发现更多我们不了解的东西,”在芝加哥大学担任联合职务的本德尔说。“当你剥开洋葱层时,你会越来越了解你的仪器,也越来越了解你对天空的科学测量。

潘说,人们对宇宙中看不见的成分知之甚少,因此任何理解都至关重要:“我们对暗物质的分布了解得越多,我们就越接近了解它的本质及其在形成我们今天生活的宇宙中的作用。

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