南极望远镜的最新发现支持了标准宇宙学模型

Josiah02

大爆炸后约 40 万年，宇宙冷却到刚好能让光子从原始宇宙汤中逃逸出来。在接下来的 140 亿年里，这些古老的光子——宇宙的第一束光——继续传播。这种遗留的光被称为宇宙微波背景。
在一项新的研究中，科学家利用从位于南极洲美国国家科学基金会阿蒙森-斯科特南极站的南极望远镜收集的这第一道光的观测数据，探索描述过去140 亿年宇宙历史的标准宇宙学模型的理论基础。
这项研究是由加州大学戴维斯分校的研究人员及其同事在芝加哥大学领导的南极望远镜合作项目中进行的，并已提交给《物理评论 D》杂志。它目前可在arXiv预印本服务器上找到。
这项研究以对宇宙微波背景及其偏振光的高精度测量为基础，进一步证实了标准宇宙学模型的准确性。它还用一种新方法计算了哈勃常数——宇宙膨胀的速度，为解决一个被称为“哈勃张力”的科学难题提供了新的见解。
“我们有一个基本连贯、详细且成功的模型来描述这 140 亿年的演化过程，”加州大学戴维斯分校迈克尔和埃斯特·瓦伊达宇宙学和天体物理学教授、这项研究的合著者之一劳埃德·诺克斯 (Lloyd Knox) 表示。“但我们不知道究竟是什么导致了最初偏离完全同质性，并最终形成了包括我们自己在内的宇宙中的所有结构。”
“这一结果尤其令人兴奋，因为它代表了第一个仅使用 CMB 极化对宇宙学进行竞争性约束的方法，使得它几乎 100% 独立于以前主要依赖总强度的结果，”研究报告的共同作者、芝加哥大学研究教授汤姆克劳福德说。
穿越宇宙的两极分化和曲折之旅
在这项研究中，研究人员分析了南极望远镜在 2019 年和 2020 年收集的两年的偏振光数据。这项研究的观测覆盖了 1,500 平方度的天空，收集到的数据使研究人员能够创建出宇宙质量的大比例尺地图。
大多数自然光是非偏振的，由一组随机的光波组成，每个光波的振荡（上下波动）没有首选方向。但当光被反射时，它会变成偏振光，这意味着光会朝首选方向振荡。
阳光从水面或地面反射时就会发生这种情况，这就是偏光太阳镜对减少眩光如此有用的原因。140 亿年前，宇宙微波背景光子在原始等离子体中经历最后的散射事件时，当它开始消失时，也发生了这种情况。
“宇宙微波背景光是部分偏振的，”诺克斯说。“我们正在测量天图上每个位置的偏振程度和偏振方向。”
经过最后一次散射后，略微偏振的光线穿过开放空间。引力会扭曲这些光线的路径。来自不同区域的光线也会受到不同的扭曲，从而产生扭曲的图像——这种效应称为引力透镜。
为了发现在没有引力透镜的情况下偏振图像会是什么样子以及引起引力透镜的质量图，研究小组使用了位于伯克利的国家能源研究科学计算中心 (NERSC) 的计算机。
“我们所做的工作本质上就是，我们拥有这些数据，然后将其发送到 NERSC 的这台超级计算机，”诺克斯研究小组的项目科学家、这项研究的第二作者马里乌斯·米利亚 (Marius Millea) 说。“计算机正在测试这个想法，‘如果这是真实的宇宙，它会生成一张像我们看到的那样的地图吗？’”
“我们有数据，但我们还需要有一个能够产生或预测此类可观测量的模型，”诺克斯研究小组的研究生兼该研究的第一作者 Fei Ge 补充道。
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该团队的研究直接解决了宇宙学界的一个难题，即“哈勃张力”。本质上，科学家们无法就宇宙膨胀的速度达成一致，因为宇宙膨胀的速度因测量方法的不同而不同。
一种方法是，天文学家使用标准宇宙学模型，结合宇宙微波背景的观测，来预测当今宇宙的膨胀速度。
在另一种方法中，他们利用对恒星和超新星爆炸的观测来更直接地测量膨胀率。用这种方法测量的结果通常比标准模型预测的要高，也就是说膨胀速度要快。这是当代宇宙学的主要难题之一；这种差异的根源尚不清楚。
研究小组利用他们的偏振数据，结合标准宇宙学模型，对膨胀速度做出了新的预测。他们的预测与欧洲航天局的普朗克卫星测量的宇宙微波背景强度图的预测一致。
该团队的新预测足够精确，与超新星测量结果在统计意义上存在很大差异。它与标准宇宙学模型和宇宙微波背景强度方法预测的膨胀率更一致，并且代表了解决哈勃张力的任何方法都必须克服的又一个障碍。