南极望远镜有一张暗物质秘密的“藏宝图”

熊明青

图示为南极望远镜利用宇宙微波背景观测暗物质的分布（图片来源:赵迪潘/阿贡国家实验室）

（）据美国太空网（罗伯特·李）：自大爆炸后约40万年以来，古老的宇宙光均匀地充满了宇宙，它可以像一幅藏宝图一样引导科学家找到暗物质的秘密。

宇宙微波背景是指第一束自由穿越宇宙的光。它的旅程开始于空间膨胀和冷却到足以让电子和质子形成第一个原子之后，这意味着电子不再无休止地散射光子，宇宙瞬间从不透明变成透明。

CMB，或有时被称为“最后散射表面”，是由一台新升级的称为SPT-3G的相机拍摄的。SPT-3G位于南极望远镜上，它能够在运行五年后捕捉到这一现象，这一初始数据暗示了令人兴奋的未来发展。

“对宇宙学家来说，CMB是一张藏宝图，”研究主要作者、阿贡国家实验室的科学家赵迪·潘在一份声明中说。“它在温度和极化方面的微小变化提供了一个了解宇宙婴儿期的独特窗口。“

然而，任何海盗都会告诉你，所有好的藏宝图都需要一把钥匙才能读懂。就这张宇宙藏宝图而言，暗物质的分布只有在阿尔伯特·爱因斯坦1915年提出的引力理论:广义相对论的启发下才能揭晓。



普朗克望远镜拍摄的CMB图像显示了微小的变化，这可能会给宇宙学家带来启示。（图片来源:欧空局和普朗克合作）

和爱因斯坦一起阅读宇宙地图

天文学家认为所有星系都笼罩在巨大的暗物质晕中；事实上，这种神秘的物质形式无处不在，它占宇宙中所有物质的68%。

然而，由于暗物质不是由电子、质子和中子组成的原子（统称为重子）组成的，因此它不会与光相互作用。然而，暗物质确实有质量，这意味着它与引力相互作用。

这就是广义相对论的用武之地。爱因斯坦的引力理论认为所有有质量的物体都会导致时空弯曲，时空是由三维空间和一维时间组成的四维统一实体。



解释引力透镜如何工作的信息图。（图片来源:美国国家航空航天局、欧空局和l .卡尔阿达）

当来自背景光源的光通过由质量引起的空间弯曲时，其路径被转向。对于像星系这样质量很大的物体来说，背景光可以弯曲得很厉害，以至于它所在的星系或恒星似乎在天空中发生了移动。在极端情况下，穿过这个中间物体的光可以在物体周围以不同程度弯曲，这意味着一个光源有时甚至可以出现在同一图像的多个点上。

这种效应被称为引力透镜效应，它被詹姆斯·韦伯太空望远镜等仪器用于观察早期宇宙中的暗淡星系。这种效应的一个更微妙的版本，引力微透镜，可以用来确定更多关于透镜物体的信息——在这种情况下，是暗物质。

然而，为了获得宇宙中暗物质网络的照片，科学家们需要一个同样广泛分布的光源。这使得CMB成为这种史诗级暗物质透镜研究的理想光源。



南极望远镜上的月出和头顶的极光。该望远镜的SPT-3G正在以CMB的形式搜寻更多的古老光线。（图片来源:Aman Chokshi）

SPT-3G特别能够利用南极望远镜干燥、稳定的大气和偏远位置缺乏干扰的优势。在这个过程中，调查为爱因斯坦的广义相对论增加了进一步的证据支持，

“我们对暗物质的分布了解得越多，我们就越能了解它的性质及其在形成我们今天生活的宇宙中的作用，”潘说。

尽管新的分析是2018年仅运行几个月的结果，但CMB透镜测量在该领域已经具有竞争力。

“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观察SPT-3G时的委托数据——结果已经很棒了，”研究作者、阿贡的物理学家艾米·本德在声明中说。“我们现在正在分析五年多的数据，所以这只是暗示了未来的发展。”

即使使用阿贡实验室计算资源中心的专用计算机组，分析来自SPT-3G相机的数月数据也是一项耗时数年的艰苦工作。

相机未来的结果可能有助于科学家解决另一个长期存在的宇宙之谜:暗能量的本质，这是一种推动宇宙加速膨胀的未知力量。

“每当我们添加更多数据时，我们就会发现更多我们不理解的东西，”Bender总结道。“随着你一层层剥开洋葱皮，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。”

SPT-3G相机的首批结果于去年发表在《物理评论d》杂志上。