南极突破性研究让暗物质成为焦点

这台望远镜位于美国国家科学基金会的阿蒙森-斯科特南极站，2017年接收了一台名为SPT-3G的新相机。SPT-3G配备了16000个探测器，是其前身的10倍，是阿贡国家实验室部分领导的多机构研究的核心。其目标是测量被称为宇宙微波背景的微弱光线。宇宙微波背景是宇宙大爆炸的余辉，当时宇宙从近 140 亿年前的一个能量点爆发出来。

宇宙微波背景是宇宙中最古老的光，它穿越了遥远的距离才到达我们身边。在其漫长的旅程中，来自巨大宇宙结构的引力使其轨迹发生弯曲，然后被南极望远镜捕捉到。图片来源：Zhaodi Pan/阿尔贡国家实验室

"CMB是宇宙学家的藏宝图，"论文的第一作者、阿贡的玛丽亚-戈珀特-迈尔研究员潘昭迪说。它微乎其微的温度和偏振变化为我们提供了一个了解宇宙雏形的独特窗口。

这篇发表在《物理评论 D》上的论文首次提供了来自 SPT-3G 的 CMB 引力透镜测量结果。当宇宙中巨大的物质网扭曲穿越空间的 CMB 时，就会发生引力透镜现象。如果你把一个酒杯的弧形底座放在书页上，酒杯就会扭曲你的视线，让你看不清后面的文字。同样，望远镜视线中的物质会形成一个透镜，使CMB光和我们的视线发生弯曲。爱因斯坦在他的广义相对论中描述了这种时空结构的扭曲。

对这种扭曲的测量提供了有关早期宇宙和暗物质等奥秘的线索，暗物质是宇宙的一种不可见成分。暗物质很难探测，因为它不与光或其他形式的电磁辐射相互作用。目前，我们只能通过引力相互作用来观测它。

自 20 世纪 60 年代发现 CMB 以来，科学家们一直在研究它，通过地面和太空望远镜对其进行观测。尽管最新的分析只使用了 2018 年几个月的 SPT-3G 数据，但引力透镜的测量已经在该领域具有竞争力。

"这项研究真正令人兴奋的部分之一是，其结果来自于我们刚刚开始使用SPT-3G进行观测时的调试数据--结果已经很棒了，"论文共同作者、阿贡物理学家艾米-本德（Amy Bender）说。我们还有五年的数据正在进行分析，所以这只是预示着未来的发展。

南极望远镜干燥、稳定的大气层和偏远的地理位置在寻找 CMB 模式时尽可能减少干扰。尽管如此，来自高灵敏度 SPT-3G 相机的数据仍然包含来自大气层以及银河系和河外星系的污染。由于研究人员需要验证数据、过滤噪声和解释测量结果，因此即使分析 SPT-3G 几个月的数据也是一项持续数年的工作。研究小组利用阿贡实验室计算资源中心的一个专用集群（一组计算机）来运行研究中的一些计算。

潘说："我们发现，这项研究中观测到的透镜模式可以很好地用广义相对论来解释。这表明我们目前对引力的理解在这些大尺度上是正确的。这些结果还加强了我们对宇宙中物质结构如何形成的现有理解。"

SPT-3G从更多年的数据中获得的透镜图也将有助于探测宇宙膨胀，即早期宇宙经历了快速指数膨胀的观点。宇宙膨胀是"宇宙学的另一块基石"，科学家们正在寻找早期引力波的迹象以及这一理论的其他直接证据。引力透镜的存在会对宇宙膨胀的印记产生干扰，因此有必要消除这种污染，而这种污染可以通过精确的透镜测量来计算。

新的 SPT-3G 数据中的一些结果将巩固现有的知识，而另一些结果则会提出新的问题。

"每当我们增加更多的数据，我们就会发现更多我们不了解的东西，"在芝加哥大学联合任职的本德说。"当你一层层剥开这层洋葱时，你会越来越了解你的仪器，也会越来越了解你对天空的科学测量。"

潘说，人们对宇宙中看不见的成分知之甚少，因此任何了解都至关重要： "我们对暗物质的分布了解得越多，就越接近于理解它的性质及其在形成我们今天所生活的宇宙中的作用。"

编译自/scitechdaily