南極望遠鏡的科學家講述工作感受:乾燥寒冷是最佳研究場所

想要了解宇宙進化的秘密,通過研究幾十億年前發出的光或許是最佳途徑。而研究它們的最佳場所自然是南極,寒冷、乾燥是研究宇宙中最古老光線的最佳條件。所以,包括芝加哥大學和阿貢國家實驗室在內的 20 多所大學和國家實驗室合作啟動了 The South Pole Telescope 項目,並於 2007 年開始運行。

南極望遠鏡的科學家講述工作感受:乾燥寒冷是最佳研究場所

在接受科技媒體 Scitechdaily 採訪的時候,來自阿貢國家實驗室的兩位物理學家談論了他們在南極望遠鏡的工作以及為什麼它很重要。Lindsey Bleem 在望遠鏡上收集和分析數據,Clarence Chang 則為望遠鏡開發超導探測器。

什麼是宇宙微波背景?它能告訴我們關於宇宙的什麼?

Chang:宇宙微波背景(cosmic microwave background,CMB)是在宇宙大約 38 萬年的時候產生的信號。它對應的時期是宇宙從質子和電子飛來飛去的超熱等離子體轉變為在宇宙冷卻到一定程度后,質子和電子可以形成原子。

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今天,這個信號出現在較長的波長,在微波範圍內(幾毫米)。因此,通過研究和觀察這些波長的宇宙,我們可以看到早期的宇宙–基本上,捕捉到一個嬰兒的照片。

Bleem:自從 20 世紀 60 年代首次發現 CMB 以來,我們就知道它是非常均勻的。溫度的偏差,也就是 Chang 談到的這個早期等離子體的密度變化,只有大約十萬分之一的偏差。我們知道,這些小的波動不得不在整個宇宙時代增長。

除了給我們提供這張漂亮的照片,有效地,嬰兒宇宙的照片,當時發出的光一直在宇宙的整個時代旅行,140 億年。它與所有自這些早期時代形成的結構相互作用。因此,我們可以研究這些結構在 CMB 中留下的非常微妙的印記,以真正找出從它被發射出來到今天所發生的過程和物理學。

是如何研究的?

Bleem:我們通過幾個重要的、不同的科學分析來做到這一點。一個是所謂的引力透鏡(gravitational lensing)。這是指沿視線的天文質量實際上可以使光的路徑發生偏轉。

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第二個是物理學,當光子–來自宇宙微波背景的光–可以從這些中間結構的材料上散射開來時發生的。我們可以追蹤這種散射過程,然後繪製出沿視線的結構圖,這可以幫助我們探測像暗能量這樣的東西,暗能量嚴重影響了真正大規模結構如星系團的形成能力。

為什麼這個望遠鏡要設立在南極?

Bleem:南極本身,正如你可能從圖片上想象的那樣,是相當寒冷的。它非常乾燥。它是世界上最大的沙漠。這使得它成為我們在南極望遠鏡所做的天文學研究的一個奇妙的地方。我們的望遠鏡以毫米級的波長進行觀測。

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大氣層中的水削弱了我們感興趣的毫米波長,而且水分子的抖動會給數據增加很大的噪音來源。因此,我們必須到這些偏遠的乾燥地方去做這些觀測。而事實證明,南極是地球上絕對最好的地方,其次是智利的阿塔卡馬沙漠。

在那種環境下工作是什麼感覺?

Chang:我們在南極是因為那裡很乾燥。這種乾燥對我們的觀察是很好的。但是作為人類,我們喜歡空氣中的一點點濕度。這是一個有點挑戰性的東西,也會幹擾到每天的工作方式。

Bleem:是的,這裡不是最適合人類的。你的皮膚會開裂。在南極,傷口不會癒合得很好。在那種乾燥的環境中,對計算機來說不是很好。實際上,我們有一個加濕器,在我們的一台電腦上吹氣,使它運行得更愉快。

你在阿貢實驗室的工作與望遠鏡有什麼聯繫?

Chang:在阿貢,我們為探測器開發了一種超導技術。這些探測器必須測量波長相當長的光子–通常是一毫米、兩毫米、三毫米。典型的相機技術,如我們手機中使用的技術,即使被推到極致,仍然不能很好地看到這些光子。事實上,它根本就看不到它們。

所以我們必須製造一種新的技術來做到這一點。其核心是,這意味着了解和控制超導材料,然後對其進行加工,以製造這些真正敏感的探測器,並製造大量的探測器。在阿貢,在研究基本材料和將其應用於不同技術方面有一個強大的計劃。

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Bleem:我們還將我們的探測器開發與使用阿貢領導力計算設施中最先進的超級計算機進行的所有工作緊密結合起來。因此,我們能夠進行重要的理論預測,使我們能夠將我們用南極望遠鏡進行的觀測與不同宇宙學模型對我們應該看到的東西的預測聯繫起來。

因此,在阿貢有這種真正強大的相互聯繫,不僅在宇宙學家和材料製造設施以及那裡的科學家之間,而且還與我們偉大的計算專家聯繫。

南極望遠鏡由美國國家科學基金會、美國能源部高能物理辦公室、卡夫里宇宙學物理研究所、美國南極計劃和南極支持合同資助和支持。