宇宙的第一道光芒剛剛以驚人的細(xì)節(jié)揭曉

我們剛剛得到了迄今為止最清晰的快照，第一道光穿過(guò)宇宙。

五年不眨眼地凝視著天空，阿塔卡馬宇宙學(xué)望遠(yuǎn)鏡（ACT） 編制了我們見(jiàn)過(guò)的最詳細(xì)的地圖宇宙微波背景– 從 380,000 年后彌漫在宇宙中的微弱光芒Big Bang.

結(jié)果如何我們現(xiàn)在有了一個(gè)更清晰的窗口來(lái)了解宇宙的嬰兒期，比以往任何時(shí)候都更精確地揭示了宇宙中存在多少質(zhì)量、它有多大，以及宇宙學(xué)中最大的危機(jī)——哈勃常數(shù)– 仍未解決。

這些發(fā)現(xiàn)已在上傳到 arXiv 和普林斯頓大學(xué) ACT 網(wǎng)站.

“我們正在看到制造最早的恒星和星系的第一步，”美國(guó)普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)家蘇珊娜·斯塔格斯說(shuō)。

“我們不僅看到了光明和黑暗，還看到了高分辨率的光偏振。這是區(qū)分 ACT 與普 朗 克和其他早期的望遠(yuǎn)鏡。

我們無(wú)法看到大爆炸的過(guò)去。早期宇宙充滿了厚厚的、渾濁的、不透明的電離等離子體霧。這種介質(zhì)是光線無(wú)法穿透的;任何在黑暗中移動(dòng)的光子都只是從自由電子上散射開(kāi)來(lái)。

直到大爆炸后大約 380,000 年，這些粒子才開(kāi)始結(jié)合成中性氣體，主要是氫，即所謂的重組紀(jì)元.

一旦自由粒子被藏進(jìn)原子中，光就能夠溢出來(lái)，傳播到整個(gè)宇宙中。第一道光是宇宙微波背景 （CMB）。

你可以想象，大約 134 億年后，CMB 非常非常暗且能量低，因此需要大量的觀測(cè)時(shí)間來(lái)探測(cè)它，也需要大量的分析才能從宇宙中所有其他光源中梳理出來(lái)。

編制 CMB 地圖已經(jīng)工作了幾十年，第一張全天空地圖2010 年發(fā)布，根據(jù)普朗克太空望遠(yuǎn)鏡收集的數(shù)據(jù)匯編而成。從那時(shí)起，科學(xué)家們一直在努力改進(jìn)地圖的分辨率，以便我們可以更多地了解我們的宇宙是如何誕生的。

這就是我們現(xiàn)在通過(guò) ACT 發(fā)布的最新數(shù)據(jù)所得到的，它比以往任何時(shí)候都更加清晰地顯示了 CMB 的強(qiáng)度和極化。偏振是光波旋轉(zhuǎn)的程度，天文學(xué)家可以對(duì)其進(jìn)行解碼以推斷光所經(jīng)過(guò)的環(huán)境的性質(zhì)。

“以前，我們可以看到物體的位置，現(xiàn)在我們還可以看到它們是如何移動(dòng)的，”Staggs 說(shuō)?！熬拖裼贸毕珌?lái)推斷月亮，光的偏振所跟蹤的運(yùn)動(dòng)告訴我們，在太空的不同部分，引力有多強(qiáng)。

CMB 為我們提供了一種測(cè)量宇宙演化的方法。我們可以查看宇宙歷史上現(xiàn)在和不同時(shí)期的游戲狀態(tài)，并將其與 CMB 進(jìn)行比較，以繪制自大爆炸以來(lái)的 138 億年。

“我們更精確地測(cè)量了可觀察的 Universe從我們向各個(gè)方向延伸近 500 億光年，“英國(guó)卡迪夫大學(xué)的宇宙學(xué)家埃爾米尼亞·卡拉布雷斯說(shuō)，”包含的質(zhì)量相當(dāng)于 1,900 個(gè)'zetta-suns'，或近 2 萬(wàn)億個(gè)太陽(yáng)。

大部分質(zhì)量是看不見(jiàn)的。正常的重子物質(zhì)只占宇宙質(zhì)量的 100 個(gè) zetta 太陽(yáng)。這就是我們能探測(cè)到的一切——恒星、星系、行星、人、黑洞、氣體、灰塵 – 所有這些東西。

在這些正常物質(zhì)中，75 個(gè) zetta-suns 是氫，25 個(gè) zetta-suns 是氦。宇宙中其余元素加起來(lái)的質(zhì)量非常小，以至于它們甚至不會(huì)在餅圖上留下任何痕跡。

另外 500 個(gè) zetta-suns 組成不可見(jiàn)暗物質(zhì)這其性質(zhì)未知.其余 1,300 個(gè) zetta-suns 構(gòu)成暗能量，我們賦予無(wú)形的力量推動(dòng)空間膨脹的速度比我們看到的要快。

這就引出了哈勃常數(shù)，它代表宇宙的膨脹率。

我們?cè)谶@里更詳細(xì)地介紹細(xì)節(jié)，但簡(jiǎn)而言之，基于CMB等數(shù)據(jù)對(duì)遙遠(yuǎn)宇宙的測(cè)量比基于超新星等數(shù)據(jù)對(duì)本地宇宙的測(cè)量顯示出更慢的膨脹速率。前者約為每兆秒差距每秒 67 或 68 公里，后者約為每兆秒差距每秒 73 或 74 公里。

這非常有趣，如果你有這種傾向，值得進(jìn)一步閱讀，但這種緊張關(guān)系的結(jié)果是，天文學(xué)家們正試圖對(duì)宇宙進(jìn)行越來(lái)越好的測(cè)量，以試圖縮小兩個(gè)測(cè)量范圍之間的差距。

CMB 的新地圖給出了哈勃常數(shù)為每兆秒差距每秒 69.9 公里。這是迄今為止最嚴(yán)格的測(cè)量之一，與基于 CMB 的哈勃常數(shù)的其他值非常吻合。

“我們有點(diǎn)驚訝的是，我們甚至沒(méi)有找到部分證據(jù)來(lái)支持更高的值，”Staggs 說(shuō)?！拔覀冋J(rèn)為在一些領(lǐng)域，我們可能會(huì)看到解釋這種緊張局勢(shì)的證據(jù)，但這些數(shù)據(jù)中并沒(méi)有?！?/p>

所以這仍然是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。但重復(fù)的、嚴(yán)格的計(jì)算似乎越來(lái)越暗示，要么我們錯(cuò)過(guò)了什么重要的東西，要么宇宙比我們想象的要怪異得多。

但那張渾渾噩噩的橙色和藍(lán)色地圖讓我們離弄清楚它更近了，這證明了人類科學(xué)永不滿足的好奇心和孜孜不倦的聰明才智。

“我們可以通過(guò)宇宙歷史看到回溯，”普林斯頓大學(xué)的天體物理學(xué)家喬·鄧克利說(shuō)?！皬奈覀冏约旱你y河系出發(fā)，經(jīng)過(guò)擁有巨大黑洞和巨大星系團(tuán)的遙遠(yuǎn)星系，一直到那個(gè)嬰兒時(shí)期?！?/p>

這三篇論文已上傳到 arXiv，可在普林斯頓大學(xué)網(wǎng)站.

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