大爆炸余辉中的阴影揭示了无形的宇宙结构

大爆炸后将近 400,000 万年，婴儿宇宙的原始等离子体冷却到足以让第一批原子聚结，从而为嵌入的辐射腾出空间自由翱翔。 那束光——宇宙微波背景辐射 (CMB)——继续在天空中四面八方流动，广播早期宇宙的快照，这些快照被专用望远镜捕捉到，甚至在老式阴极射线电视上显示出来。

科学家在 1965 年发现 CMB 辐射后，精心绘制了它微小的温度变化图，显示 宇宙的确切状态 当它只是起泡的血浆时。 现在，他们正在重新调整 CMB 数据的用途，以对随着宇宙的成熟而在数十亿年内发展起来的大规模结构进行分类。

“那束光经历了宇宙的大部分历史，通过观察它的变化，我们可以了解不同的时代，”说 金米吴，SLAC国家加速器实验室的宇宙学家。

在其将近 14 亿年的旅程中，来自 CMB 的光被其途中的所有物质拉伸、挤压和扭曲。 宇宙学家开始超越 CMB 光的主要波动，关注与星系和其他宇宙结构相互作用留下的次要印记。 从这些信号中，他们对普通物质（所有由原子部分组成的物质）和神秘暗物质的分布有了更清晰的认识。 反过来，这些见解有助于解开一些长期存在的宇宙学谜团，并提出一些新的谜团。

“我们意识到 CMB 不仅告诉我们宇宙的初始条件。 它还告诉我们关于星系本身的信息，”说 伊曼纽尔沙恩，也是 SLAC 的宇宙学家。 “事实证明这真的很强大。”

影子宇宙

跟踪恒星发出的光的标准光学测量忽略了大部分星系的潜在质量。 那是因为宇宙总物质中的绝大部分是望远镜看不见的——要么作为暗物质团块，要么作为弥漫在星系之间的电离气体隐藏在视线之外。 但是暗物质和分散的气体都会在入射的 CMB 光的放大率和颜色上留下可检测的印记。

“宇宙实际上是一个皮影戏，其中星系是主角，CMB 是背光，”沙恩说。

许多影子玩家现在都松了一口气。

当来自 CMB 的光粒子或光子散射星系间气体中的电子时，它们会被撞击到更高的能量。 此外，如果这些星系相对于膨胀的宇宙处于运动状态，则 CMB 光子会发生第二次能量转移，向上或向下取决于星团的相对运动。

这对效应分别称为热效应和运动学 Sunyaev-Zel'dovich (SZ) 效应，是 首先理论化 在 1960 年代后期，在过去十年中被越来越精确地检测到。 SZ 效应共同留下了一个可以从 CMB 图像中梳理出来的特征，使科学家能够绘制出宇宙中所有普通物质的位置和温度图。

最后，被称为弱引力透镜效应的第三种效应会在 CMB 光在大质量物体附近传播时扭曲其路径，从而扭曲 CMB，就好像它是通过酒杯底部观察的一样。 与 SZ 效应不同，透镜效应对所有物质都很敏感——无论是暗物质还是其他物质。

总而言之，这些效应使宇宙学家能够将普通物质与暗物质分开。 然后科学家们可以将这些地图与来自星系调查的图像叠加起来，以测量宇宙距离，甚至 跟踪恒星形成.

In 伴侣 文件 2021 年，由 Schaan 和 斯特凡尼亚·阿莫迪奥，现在在法国斯特拉斯堡天文台工作，将这种方法付诸实践。 他们检查了欧洲航天局获取的 CMB 数据 普朗克卫星 和基于地面的 阿塔卡马宇宙望远镜，然后在这些地图之上叠加了对近 500,000 个星系的额外光学调查。 该技术使他们能够测量普通物质和暗物质的排列。

分析表明，该地区的气体并没有像许多模型预测的那样紧紧地拥抱其支持的暗物质网络。 相反，它表明来自超新星的爆炸和吸积的超大质量黑洞迫使气体远离其暗物质节点，将其扩散开来，以至于传统望远镜无法探测到它太薄太冷。

发现 CMB 阴影中的扩散气体有助于科学家进一步解决所谓的 缺失重子问题. 它还提供了对分散爆炸的强度和温度的估计——科学家们现在正在使用这些数据来改进他们的星系演化模型和宇宙的大尺度结构。

近年来，宇宙学家一直对这样一个事实感到困惑：在现代宇宙中观察到的物质分布是 比理论预测的更平滑. 如果回收星际气体的爆炸比科学家假设的更有活力，正如 Schaan、Amodeo 和 其他类 似乎表明，这些爆炸可能部分负责在整个宇宙中更均匀地传播物质，说 科林希尔，哥伦比亚大学的宇宙学家，同时也在研究 CMB 信号。 在接下来的几个月里，希尔和阿塔卡马宇宙望远镜的同事们计划公布一张更新的 CMB 阴影图，其天空覆盖范围和灵敏度都有显着提高。

“对于您可以使用这张地图做什么，我们才刚刚开始触及皮毛，”希尔说。 “与之前的任何事情相比，这是一个惊人的进步。 很难相信这是真的。”

未知的阴影

CMB 是帮助建立宇宙学标准模型的关键证据，宇宙学标准模型是研究人员用来了解宇宙起源、组成和形状的核心框架。 但 CMB 背光研究现在有可能在这个故事中戳破漏洞。

“这种范式确实经受住了精确测量的考验——直到最近，”说 小松荣一郎，马克斯普朗克天体物理研究所的宇宙学家，作为威尔金森微波各向异性探测器的成员致力于建立该理论，该探测器绘制了 2001 年至 2010 年间的 CMB。“我们可能正处于宇宙新模型的十字路口…… ”

在过去的两年里，小松和他的同事们一直在研究皮影戏舞台上出现新角色的迹象。 信号出现在 CMB 光波的偏振或方向上，宇宙学的标准模型认为，在光波穿越宇宙的旅程中，偏振或方向应该保持不变。 但是，作为 理论 三十年前，肖恩·卡罗尔 (Sean Carroll) 及其同事发现，这种极化可能会被暗物质、暗能量或某种全新粒子场旋转。 这样的场会导致不同偏振的光子以不同的速度传播并旋转光的净偏振，这种特性被称为“双折射”，某些晶体具有这种特性，例如使 LCD 屏幕成为可能的晶体。 2020年，小松的团队 报告发现 CMB 极化的微小旋转——大约 0.35 度。 后续研究 去年发表 加强了早先的结果。

如果极化研究或 另一个结果 与星系分布相关的问题得到证实，这意味着宇宙在所有观察者看来并非在所有方向上都相同。 对于希尔和其他许多人来说，这两个结果都很诱人，但尚未确定。 正在进行后续研究以调查这些提示并排除潜在的混杂影响。 有些人甚至提出了一个专门的 “逆光天文”飞船 那将进一步检查各种阴影。

“五到十年前，人们认为宇宙学已经完成，”小松说。 “现在情况正在改变。 我们正在进入一个新时代。”