科学家首次在地面捕捉到“宇宙黎明”的偏振微波信号

美国科学家首次使用地面望远镜回溯了130亿年前，宇宙中第一批恒星形成后，如何影响大爆炸发出的光。他们利用位于智利北部安第斯山脉高处的望远镜测量了这种偏振微波信号，以更清晰地描绘人们知之甚少的宇宙时期——“宇宙黎明”。相关研究近日发表于《天体物理学杂志》。

宇宙大爆炸后，炽热的等离子体密度极高，就连光也无法自由穿梭其中。随着宇宙膨胀并逐渐冷却，质子捕获电子形成中性氢原子，光得以自由穿梭。而当第一批恒星在宇宙诞生数亿年后形成时，释放出强大能量，又将中性氢原子中的电子撕裂出来。穿梭的光遇到这些游离的电子时就会偏离轨道。上述过程中，宇宙微波背景辐射的偏振状态被改变，留下了类似“指纹”的痕迹。科学家正是通过测量这些微弱的偏振信号，来了解第一批恒星是如何影响宇宙早期环境的。

宇宙微波的波长只有几毫米，非常微弱，而偏振微波信号还要微弱约一百万倍。地球上的无线电波、雷达和卫星信号都能将偏振微波信号淹没，而大气扰动，天气和温度变化等则会使其失真。即使在完美条件下，测量偏振微波信号也需要极其灵敏的设备。

“‘宇宙黎明’时期的微波信号因难以测量而闻名，人们认为相关探测不能在地面上完成。”美国约翰斯·霍普金斯大学物理学和天文学教授、美国国家科学基金会宇宙学大角度尺度探测器（CLASS）项目负责人托Tobias Marriage说，“与太空观测相比，地面观测面临着额外的挑战。这次测量正因突破了挑战，而成为一项重要成就。”

CLASS项目科学家使用了设计独特的地基望远镜探测大爆炸遗迹中第一颗恒星留下的“指纹”。这样的探测以前只有通过部署在太空中的设备才能实现，如美国国家航空航天局的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和欧洲航天局的普朗克空间望远镜。

研究人员通过将CLASS望远镜的数据与WMAP和普朗克空间望远镜的数据进行比较，确认了干扰源并缩小了偏振微波光的共同信号范围。

研究人员表示，当光波碰到物体后散射时，就会发生偏振。偏振光就像阳光照射在汽车引擎盖上产生的眩光。基于新的共同信号，他们可以确定有多少是“宇宙黎明”反射光产生的宇宙眩光。这些发现将有助于更好地定义来自大爆炸残余辉光或宇宙微波背景的信号，并形成更清晰的早期宇宙图景。

相关论文信息：
https://doi.org/10.3847/1538-4357/adc723