在智利北部的阿塔卡馬沙漠，一臺在2007年至2022年間運行的望遠鏡——阿塔卡馬宇宙學望遠鏡（ACT），經過15年的觀測，公布了其最終的數據，并生成了迄今為止最清晰的宇宙“嬰兒時期”的圖像。近日，ACT合作組發布了這些圖像，為人類揭示了可觀測宇宙最早期的狀態。

宇宙微波背景

ACT的核心目標是高精度測量宇宙微波背景（CMB）的溫度和極化各向異性。

那么，什么是CMB呢？

在大爆炸后的最初幾十萬年里，宇宙充滿了熾熱的等離子體，光子不斷被電子散射，導致光無法自由傳播。這也意味著當時的宇宙處于不透明狀態。到了大爆炸后的約38萬年，宇宙已經冷卻到足以使電子和質子結合，形成穩定的中性氫。這個時候，光子不再受阻，可以自由地傳播。

今天，這些光仍然彌漫在宇宙中，并且它們的波長也隨著宇宙的膨脹被拉伸到更長的微波。因此，這些能夠被探測到的最古老的光，也被稱為CMB。CMB代表了我們所能觀測到的宇宙歷史的第一個階段。

插圖中的彩色區域顯示了新圖像所捕捉到的宇宙歷史時期。（圖/Lucy Reading Ikkanda, Simons Foundation）

ACT的突破

ACT并不是首個探測CMB的望遠鏡，但與十多年前普朗克衛星繪制的CMB圖像相比，新的CMB圖像具有更高的分辨率。

事實上，ACT測量的光的強度和偏振的分辨率比普朗克高五倍，靈敏度提升了三倍。這一改進使得ACT不僅能夠更清晰地觀測最早的恒星和星系的形成，還能直接探測到極其微弱的偏振信號。

這種偏振特征很重要，因為它揭示了處于宇宙嬰兒時期的氫氣和氦氣是如何運動的。

ACT與普朗克衛星數據結合后獲得的CMB圖（左），以及局部高清CMB特寫（右）。橙色和藍色代表CMB中輻射強度的變化，揭示了宇宙密度的微小起伏。銀河系在圖像中呈紅色。（圖/ACT Collaboration; ESA/Planck Collaboration）

新圖像還清晰地顯示了嬰兒宇宙中氣體的密度和速度的微小變化，揭示了這片原始的氫和氦的“海洋”中，高密度和低密度區域的分布。這些早期的宇宙“山丘”與“山谷”綿延數百萬光年。在隨后的數百萬年至數十億年間，引力逐漸將高密度氣體區域向內拉攏，最終形成了恒星與星系。

標準宇宙學模型的驗證

這些新的高分辨率圖像，正在幫助科學家解答關于宇宙起源的關鍵問題。它們提供了迄今為止對宇宙年齡的最精確測量，并對宇宙的基本屬性進行了深入驗證。

新測量結果表明，可觀測宇宙的半徑約為500億光年，總質量相當于1900個“ζ-太陽”（約1.9×102?個太陽質量）。其中，普通物質（可直接觀測的物質）僅占100個ζ-太陽的質量，而暗物質占約500個ζ-太陽的質量，剩余的1300個ζ-太陽質量是導致宇宙加速膨脹的暗能量。

這些觀測數據為標準宇宙學模型提供了迄今最嚴格的檢驗。盡管研究人員使用不同的方法進行了額外測試，但迄今未發現任何超出該模型的異常現象。ACT的測量結果再次證明，該模型能夠精準描述宇宙的演化歷史。

除了CMB觀測，ACT在測量過程中還捕捉到了來自其他宇宙天體的信號。通過這些數據，天文學家可以回溯宇宙的歷史——從銀河系，到擁有超大質量黑洞的遙遠星系，再到巨大星系團，最終一直追溯到宇宙的嬰兒期。

這些研究結果不僅驗證了標準宇宙學模型的穩健性，也展現了CMB測量在探索宇宙演化歷程中的強大能力——從宇宙誕生之初到恒星和星系的形成。

未來展望

ACT已于2022年完成全部觀測任務，未來的研究重心將轉向下一代望遠鏡——西蒙斯天文臺（Simons Observatory）。該望遠鏡將建于ACT的同一地點，并具備更先進的探測能力。

此外，ACT的所有數據現已公開，供全球研究人員自由訪問，為未來的宇宙學研究提供寶貴資源。這項研究不僅讓我們更清晰地看到宇宙的過去，也幫助我們理解其未來的演化方向。

#參考來源：

https://www.princeton.edu/news/2025/03/18/new-high-definition-images-released-baby-universe

https://news.ucr.edu/articles/2025/03/18/universes-baby-pictures-just-got-clearer

https://www.science.org/content/article/sharpest-image-yet-our-universe-baby

https://www.simonsfoundation.org/2025/03/18/atacama-cosmology-telescope-publishes-final-major-data-release/

#圖片來源：

封面圖：ACT Collaboration

首圖：ACT Collaboration