宇宙的时光胶囊
新宇宙“婴儿写真“揭示：138亿年前宇宙如何迈出形成恒星与星系的第一步
由已退役的阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）拍摄的最新宇宙婴儿期影像，首次以空前清晰度展现了宇宙大爆炸38万年后的早期图景。这座位于智利阿塔卡马沙漠的观测设备已于2022年完成历史使命。
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这些被称为宇宙微波背景辐射（CMB）的珍贵数据，犹如宇宙初光留下的化石印记。通过测量该辐射的强度与偏振特性，科学家不仅验证了描述宇宙形成与演化的标准宇宙学模型，更证明该理论框架具有惊人的完备性。观测数据显示，在宇宙诞生仅38万年时（相当于人类寿命中的前9小时），原始等离子体已开始酝酿形成第一代恒星与星系的物理条件。
这项突破性成果中，偏振数据的清晰度达到前所未有的水平，相当于用天文望远镜观测到了月球表面一枚硬币的细节。研究团队通过分析这些“宇宙初啼“的声波震荡，精确推演出暗物质与普通物质的比例等重要参数，为理解宇宙结构的形成机制提供了关键证据。
这张最新公布的辐射振动方向（即偏振）分布图中，右侧放大区域对应的天区高度为10度。偏振光的振动具有特定方向性，蓝色区域显示周围光的振动方向呈辐条状指向中心（类似自行车轮辐的辐射模式），橙色区域则标志着振动方向围绕中心旋转的偏振特征。
阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）的新数据显示，宇宙早期气体在引力驱动下的运动轨迹。这些观测揭示了氢与氦构成的原始气体云——这些星际物质将在引力坍缩中孕育出第一代恒星，标志着宇宙正式迈出星系形成的“第一步“。
宇宙“断层扫描“揭示：早期宇宙复杂度远超预期
欧几里得太空望远镜首批观测数据（含影像与视频）为暗物质与暗能量研究打开“信息金矿“。
阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）负责人、普林斯顿大学研究员苏珊娜·斯塔格斯在声明中指出：“我们正在见证宇宙形成第一代恒星与星系的最初进程。ACT不仅捕捉到光与暗的分布，更以超高分辨率解析了光的偏振特性——这正是ACT区别于普朗克卫星等前辈望远镜的核心优势。“
尽管这些新发现极大丰富了科学家对早期宇宙物理状态的理解，但仍未解答宇宙演化理论中最大的谜题——所谓的“哈勃张力“（即宇宙膨胀速率测量的系统性矛盾）。
图像科学注释如下，左图为阿塔卡马宇宙学望远镜最新发布的半天空域图像（与普朗克卫星数据融合），通过三波段合成技术显示：紫色区域为银河系星际物质分布，灰色背景为宇宙微波背景辐射（CMB）原始信号。右图5度高的放大区域聚焦猎户座大星云所在天区，通过坐标系旋转突出银河系局部结构。（图片来源：阿塔卡马宇宙学望远镜；欧空局/普朗克卫星团队）
宇宙初光：大爆炸后的黑暗与黎明
在大爆炸后约38万年前，宇宙曾是一片漆黑的“婴儿期“。彼时的宇宙炽热致密，充斥着由自由电子构成的等离子海洋。这些电子不断散射光子（光的粒子），使得光线无法自由穿行——整个宇宙如同被浓雾笼罩般混沌不明。
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当宇宙膨胀冷却至约3000开尔文（约合2700摄氏度）时，电子终于能与质子结合，形成最早的中性氢氦原子（宇宙最初诞生的两种元素）。这一被称作“最后散射“的事件发生后，光子挣脱了永无止境的散射命运，开始在透明化的宇宙中自由穿行。这缕初光如今以“宇宙微波背景辐射（CMB）”的形式遍布整个宇宙。尽管CMB看似均匀，但其微小的温度涨落（科学家称之为“各向异性“）忠实地记录着“最后散射“时期物质密度的细微波动。
作为人类能观测到的最古老光线，宇宙微波背景辐射不仅是追溯宇宙演化的“时光胶囊“，更是研究早期宇宙物理条件的绝佳载体。
阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）图像中黑色偏振线的作用在于：蓝色标注为测算天空某区域的辐射状偏振强度（类似自行车轮辐的辐射模式），红色标注为量化同区域的切向偏振强度（振动方向环绕中心旋转）（图片来源：阿塔卡马宇宙学望远镜）
坐落于智利安第斯山脉高处的阿塔卡马宇宙学望远镜，成功捕捉到这份穿越130亿年的古老光芒。此前，宇宙微波背景辐射最精细的测绘记录由欧空局普朗克卫星保持。
“阿塔卡马宇宙学望远镜的分辨率比普朗克提升五倍，灵敏度更高，“奥斯陆大学研究员西居尔·奈斯解释道，“这意味着我们能直接观测到此前难以捕捉的微弱偏振信号。当前其他望远镜虽能测量低噪声偏振，但无一具备阿塔卡马宇宙学望远镜的广天区覆盖能力。“
宇宙微波背景辐射偏振信号的特殊价值在于：它能揭示宇宙婴儿期氢氦气体的运动模式（当时重元素含量微乎其微）。
“过去我们只能定位物质分布，如今还能追踪其运动轨迹，“阿塔卡马宇宙学望远镜负责人苏珊娜·斯塔格斯比喻道，“就像通过潮汐推断月球存在，偏振记录的气体运动揭示了不同区域引力强度的差异。“
融合阿塔卡马宇宙学望远镜高精度数据与普朗克卫星历史观测的宇宙微波背景辐射合成新图，图中10度宽的放大区域（相当于20个满月并列的视场），展示了新发布的半天空域图中猎户座大星云附近的局部细节。该区域仅占全天球面积的0。2％，却蕴含早期宇宙结构形成的关键信息。
通过阿塔卡马宇宙学望远镜数据，科学家首次清晰识别出原始氢氦气体海洋中的密度与速度涨落。这些横跨数百万光年的“宇宙丘陵与谷地“，在数十亿年的引力作用下逐渐坍缩，最终孕育出第一代恒星与星系。
“回望这个结构简单的时期，“普林斯顿大学首席分析员乔·邓克利总结道，“我们得以拼凑出宇宙从原始汤演化为今日复杂结构的完整图景。“
追溯宇宙演化史的科学之旅
最新发布的宇宙微波背景辐射合成图（融合阿塔卡马宇宙学望远镜高精度数据与普朗克卫星历史观测），右侧10度宽的放大区域（相当于20个满月并列的视场）展示了新半天空域图中猎户座星云附近的局部细节。（图片来源：阿塔卡马宇宙学望远镜；欧空局/普朗克卫星团队）
通过这场宇宙时空的逆向追溯，科学家发现可观测宇宙在各个方向的半径接近500亿光年。其总质量相当于约2万亿亿倍（2后面跟着36个零）太阳质量，即1，900“泽塔太阳质量“（1泽塔太阳定义为质量达太阳的10²¹倍的假想天体）。
在这总量中，仅有100泽塔太阳质量由日常可见的普通物质构成。其中四分之三是氢元素，四分之一为氦元素。另有500泽塔太阳质量归属暗物质，而占据主导的1，300泽塔太阳质量属于驱动宇宙加速膨胀的神秘力量——暗能量。
约4泽塔太阳质量由被称为“幽灵粒子“的中微子贡献。这类粒子因不带电、几乎无质量的特性，能以每秒10¹³个的数量穿透人体而不被察觉（相当于每平方厘米每秒约650亿个），其弱相互作用特性使之成为粒子物理界的“隐形居民“。
上述质量分布比例与宇宙学理论模型高度吻合（如ΛCDM模型的预测误差小于1。5％），同时与星系巡天观测的引力透镜数据匹配度超过99。7％置信度。
可观测宇宙的总质量相当于1，900’泽塔太阳质量’（即太阳质量的1。9万亿亿倍）。通过饼状图可直观解析其成分构成——其中普通物质几乎全部由氢与氦组成。（图片来源：阿塔卡马宇宙学望远镜）
阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）的最新数据将宇宙年龄精确测定为138亿年（误差仅±0。1％），同时修正了早期宇宙膨胀速率参数。这一结果与基于哈勃常数（H₀=67。4±0。5 km/s/Mpc）的现有测算高度吻合。
这种精确测定之所以可能，是因为早期宇宙中的物质扰动如同池塘涟漪般在空间中传播，其波动模式被永久铭刻在宇宙微波背景辐射（CMB）这一“时空化石“中。
“若宇宙年龄更小，为达到当前尺度就必须经历更剧烈的膨胀。“ACT副主任、宾夕法尼亚大学研究员马克·德夫林解释道，“这会导致观测到的涟漪尺度偏大——就像尺子贴近面部时显得比一臂距离时更大。“
应对“哈勃困境”
当前宇宙学面临的核心难题是“哈勃矛盾“的存在——即通过不同方法测得的宇宙膨胀速率（哈勃常数）存在系统性偏差。当科学家利用邻近星系的退行运动测算时，得到的哈勃常数值高达73-74公里/秒/百万秒差距（km/s/Mpc）；而基于宇宙微波背景辐射（CMB）的测算结果仅为67-68 km/s/Mpc，两者差异超过4倍标准误差。
阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）团队通过其获取的高分辨率CMB图像，对哈勃常数进行了最新测算。结果显示，新数据与既往基于CMB的测量值保持高度一致（H₀=67。4±0。5 km/s/Mpc），进一步确认了早期宇宙膨胀速率测量的可靠性。
ACT数据的重要科学目标之一，是探索能解释哈勃矛盾的替代性宇宙学模型。这包括：修正中微子的物理行为假设，或在早期宇宙中引入额外的加速膨胀阶段（如暴胀后的二次能量相变）。此类模型试图在不违背现有观测约束的前提下，调和不同方法间的测量差异。
“我们试图寻找既符合观测数据、又能预测更快膨胀速率的宇宙学模型，“哥伦比亚大学研究员科林·希尔（其研究团队运用了阿塔卡马宇宙学望远镜数据）解释道，“通过将CMB作为早期宇宙新粒子或场的探测器，我们正在探索此前未被测绘的未知领域。“
——暗能量如何缓解“哈勃困境“与星系观测难题
——哈勃困境还是超级气泡？天文学家需突破“超级空洞“认知以化解宇宙学危机
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希尔补充指出，阿塔卡马宇宙学望远镜数据未检测到任何新物理信号存在的证据，这意味着标准宇宙学模型经受住了精度高达0。1％的严苛检验。“即便对可能解释哈勃矛盾的部分理论预期，数据也未显示出任何支持迹象，“斯塔格斯坦言，“这稍显意外——我们曾认为某些数据异常区域可能暗示新物理机制，但最终都未获证实。“
阿塔卡马宇宙学望远镜已于2022年完成全部观测任务并正式退役。目前，天文学界正将目光转向同一观测址新建的西蒙斯天文台（智利阿塔卡沙漠），该设施配备更强大的毫米波接收阵列与偏振测量系统，灵敏度预计提升三倍。
阿塔卡马宇宙学望远镜全部原始数据已通过美国宇航局宇宙微波背景数据库（LAMBDA）向全球开放共享，相关研究成果论文可在普林斯顿大学阿塔卡马宇宙学望远镜项目官网获取。此举将推动全球科研团队对宇宙微波背景辐射偏振数据的深度挖掘，为破解哈勃矛盾提供新视角。
BY:Robert Lea
FY: 万琳
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选文：天文志愿文章组-
翻译：天文志愿文章组-万琳
审核：天文志愿文章组-
终审：天文志愿文章组-零度星系
排版：天文志愿文章组-零度星系
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参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.原文来自：https://www./the-universe/new-cosmic-baby-pictures-from-powerful-telescope-in-chile-reveal-our-universe-taking-its-1st-steps
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