天文学家在大爆炸的遗物辐射中探测到微妙的扭曲

作者:程茄罄

<p>此图显示宇宙微波背景(CMB)中的光子如何被大质量宇宙结构穿越宇宙时的引力透镜效应所偏转版权所有:ESA和普朗克协作使用美国国家科学基金会南极望远镜和欧洲航天局赫歇尔的数据太空天文台,天文学家首次发现了宇宙微波背景中的微妙扭曲,为揭示宇宙存在的第一时刻铺平了道路宇宙学家首次发现了宇宙微波背景中长期寻找的成分(CMB)这个被称为B模式偏振的分量是由引力透镜引起的,当它穿过宇宙时,大质量结构引起的光线弯曲</p><p>结果是基于南极望远镜和欧洲航天局赫歇尔空间天文台的数据组合</p><p>检测是可能发现另一种o的一个里程碑f极化CMB中的B模式信号 - 宇宙开始后不到一秒的引力波产生的信号宇宙微波背景是在宇宙中几乎畅通无阻的最古老的光,它包含了大量的信息</p><p>宇宙的起源和本质在他们的旅程中,来自CMB的光子遇到了大量的星系和星系团,并被这些大的物质浓度所偏转</p><p>这种被称为引力透镜的现象,印记了一种微妙的扭曲</p><p>编码宇宙结构大规模分布细节的CMB近年来,宇宙学家利用地面和空间实验(包括第一次全天空)的数据,在CMB温度上检测到了引力透镜的特征</p><p>使用ESA的普朗克卫星实现这种效果的图像CMB的一小部分是偏振的,引力透镜是lso影响信号的这一部分事实上,极化的CMB是一个额外的甚至更丰富的宝库,比用于探索宇宙过去的非极化信号现在,一支研究极化CMB的宇宙学家团队在其中发现了引力透镜的特征</p><p>开启新的和令人兴奋的可能性来研究物质在宇宙中的分布这个结果也是第一次检测到CMB极化的难以捉摸的第二个成分 - 长期寻求的B模式E模式和CMB极化中的B模式(分别是左图和右图)以及透过CMB(中央面板)的大规模物质分布的引力潜力版权所有:图片来自D Hanson等,2013,Physical Review Letters该研究基于美国国家科学基金会南极望远镜(SPT)上的偏振敏感接收器SPTpol和欧洲航空航天局赫歇尔空间观测站上的SPIRE仪器的数据组合保守党SPT是位于南极洲的地面望远镜,用于在南部天空的一小块地方观察CMB到非常高的角分辨率“CMB是部分极化的:这意味着它带有额外的方向信息,如光使用偏光眼镜可以观察到这种情况,“美国加州理工学院帕萨迪纳分校和伊利诺伊大学厄本那 - 香槟分校的Joaquin Vieira解释说,维埃拉领导了Herschel调查,使得这一结果得以实现”我们在偏振光下观察到的图案可以分开两个独特的组成部分:我们称之为E模式和B模式在CMB极化的情况下,这两个组成部分携带有关早期和晚期宇宙的非常不同和互补的信息“CMB是来自早期宇宙的光芒,当它首次对辐射透明时,大爆炸后大约38万年,中巴的温度和极化都有波动,在那个时代,密度和压力的微小差异CMB的极化具有可以追溯到早期宇宙的E模式和B模式的独特模式但是这种模式,特别是B模式组件的强度,经历了随着极化CMB在宇宙中传播的巨大变化“当引力透镜扭曲偏振的CMB光子时,它将部分E模式转换为B模式,”Vieira解释道</p><p> 只有一小部分CMB被极化,因此它是一个非常微弱的信号并且极难检测到CMB极化的E模式成分,其强度强于B模式,最初是在2002年观察到的</p><p>基于地面的角度角度干涉仪(DASI),以及随后几年的各种其他实验B模式是一个非常微弱的信号,直到现在,仍然未被发现“在我们的研究中,我们结合了观察到的极化CMB通过SPT获得来自赫歇尔的独立数据这项技术使我们能够最终发现由引力透镜引起的B模式,“评论Vieira宇宙学家通过SPT数据中的引力透镜检测到B模式信号,使其检测更加稳健,他们增加了来自赫歇尔的补充观测资料,以追踪导致透镜的大规模星系分布用SPT观察到的宇宙微波背景(左)和宇宙红外背景观测Herschel编辑(右)版权所有:图片来自G Holder等,2013,The Astrophysical Journal Letters,771,L16“Herschel为我们提供了一个很好的数据集来重建扭曲CMB的星系的引力势,”Vieira说</p><p> “在我们的分析中包括Herschel数据使得SPTpol数据对仪器效应不那么敏感,并且是隔离透镜诱导的B模式信号的关键”Herschel具有从远红外波长到亚毫米波长的宽光谱覆盖范围与宇宙红外背景(CIB)相比,CMB是来自早期宇宙的漫射光,CIB是一个累积的背景,随着恒星和星系的形成而产生,这些恒星和星系在数亿年后开始大爆炸虽然恒星主要在紫外波长下发光,但在整个宇宙时代,大约一半的能量被星系内的宇宙尘埃所吸收;这种寒冷的尘埃在较长的远红外波长处重新辐射星光因此,CIB封装了恒星形成的宇宙历史星系倾向于分组在星系团中,这些星系团嵌入暗物质晕,以及这些大量浓度的暗物质和正常物质导致CMB引力透镜化的原因出于这个原因,重力透镜CMB与Herschel检测到的CIB之间存在非常强的相关性,因为后者追踪负责偏转的透镜通过定位天空中的点(或更少)星系存在,赫歇尔数据中包含的额外信息使得团队能够更清楚地看到引力透镜效应</p><p>这张图显示了宇宙中物质大规模分布的密度</p><p>使用两种不同类型的数据进行观察和评估版权所有:图片来自G Holder等,2013,The Astrophysical Journal Letters,771,L16这个冷杉结果开启了引力透镜CMB研究的新时代到目前为止,宇宙学家已成功研究了CMB温度下的引力透镜,但这种信号受到很大程度的内在噪声影响,而且很难改善最佳电流结果显着研究引力透镜在偏振CMB中的影响,相反,预计将提供更清晰的探测物质的基本分布,从而导致透镜效应“偏振成为未来重力透镜研究的关键</p><p> CMB,“来自加拿大蒙特利尔麦吉尔大学的Duncan Hanson评论,该论文的第一作者报告了这一发现”该领域目前处于早期阶段,但随着我们收集越来越多的数据,我们将能够研究物质的大规模分布具有更高的精确度“该研究基于对SPTpol的观察以及大片天空的赫歇尔数据,测量100平方度,与SPTpol进行的调查重叠“很高兴看到这种巧妙运用Herschel数据实现了CMB极化中B模式的首次检测,这是波动的一个水平一千万,“欧洲航天局赫歇尔项目科学家GöranPilbratt评论说:”这项工作再次展示了可用的赫歇尔数据的宝库,“他补充说</p><p> 除了应用于引力透镜外,B模式的发现是一个里程碑,因为它证明可以检测到这样的信号全世界,宇宙学家们仍在寻找不同类型的B模式,即由原始引力波创建的模式</p><p>使用包括SPT和普朗克宇宙学家在内的实验认为,宇宙开始于一个非常早期的加速膨胀阶段,称为膨胀在这个非常快速的阶段,它以指数方式提升宇宙的大小,人们认为引力波也是由“引力波”引起的</p><p>波浪是时空结构中的涟漪,我们认为在通货膨胀期间产生的波浪在CMB极化的B模式部分留下了印记,“共同作者,大学宇宙物理学Kavli研究所的Stephen Hoover解释说</p><p>美国芝加哥发现这样的信号将为研究早期的宇宙和B-mo的通货膨胀检测提供重要信息然而,由原始引力波引起的des可能证明更加复杂,因为预期它们与引力透镜引起的性质具有非常不同的特性因为原始B模式在比本研究中探测到的更大的角度尺度上变得明显,宇宙学家将会需要扫描和分析天空较大部分的信号此外,宇宙学家对于他们正在寻找的信号的幅度和形状仍然处于黑暗状态,因为许多理论上的不确定性仍然困扰着通货膨胀“我们能够检测出CMB极化中的B模式是一个巨大的实验成功我们都渴望了解是否会出现更为激动人心的原始引力波发现,“维埃拉出版物总结:PDF Copy研究:来源:赫歇尔空间天文台图片:欧空局和普朗克合作; D Hanson等,2013,Physical Review Letters; G Holder等,2013,The Astrophysical Journal Letters,771,....