天文学家从大爆炸中检测到遗物辐射中的微妙扭曲

该图示示出了宇宙微波背景（CMB）中的光子如何被大规模宇宙结构的重力透镜效应在宇宙中行进时偏转。版权：ESA与普朗克合作

使用来自国家科学基金会的南极望远镜和ESA的Herschel空间天文台的数据，天文学家首次检测宇宙微波背景中的微妙扭曲，铺平了揭示宇宙存在的第一矩。

宇宙学家已经达到了宇宙微波背景（CMB）中的长寻求组件的首次检测。该组件称为B模式偏振，是由重力透镜引起的，在宇宙中行进时，通过大规模结构的光弯曲。结果基于来自南极望远镜和欧安孔的Herschel空间天文台的数据组合。该检测是沿着偏振CMB中可能发现另一种B模式信号的里程碑 - 在宇宙开始之后的引力波的引力波产生的信号。

宇宙微波背景是最古老的光线，几乎无法穿过宇宙，它包含有关宇宙的起源和性质的丰富信息。在旅途中，来自CMB的光子遇到了多种星系和星系集群，并且已经被这些大浓度的物质偏转。

这种现象称为重力透镜，对CMB的图案印记了对宇宙中结构大规模分布的细节的细微畸变。近年来，宇宙学家使用地面和空间实验的数据检测了CMB温度上的引力透镜的标志，包括使用ESA的普朗克卫星实现了这种效果的第一全天空图像。

CMB的一小部分是极化的，并且重力透镜也影响信号的这一部分。事实上，极化的CMB是一种额外的甚至更丰富的宝库，而不是用于探索宇宙的过去的非偏振信号。现在，研究偏振CMB的宇宙科学家团队已经检测到引力透镜的签名，打开新的和令人兴奋的可能性，以研究宇宙中物质的分布。该结果也是CMB偏振的难以捉摸的第二分量的第一次检测 - 长寻求的B模式。

CMB偏振中的E-MODES和B模式（分别为左和右板）和大规模分布的重力电位是透镜的CMB（中央面板）。版权：来自D. Hanson等人的图像，2013年，物理评论信

该研究基于SPTPOL数据的组合，国家科学基金会南极望远镜（SPT）上的极化敏感接收器，以及船上ESA Herschel空间天文台的尖顶仪器。SPT是位于南极洲的地面望远镜，观察CMB在南方天空的小斑块中以非常高的角度分辨率。

“CMB是部分偏振的：这意味着它具有额外的方向信息，如使用偏振眼镜可以观察到的光线，”Joaquin Vieira从Urbana-Champaign，Urbana-Champaign，USBANCA-Champaign in Urbana-Champaign。Vieira带领Herschel调查启用了这一结果。

“我们在偏振光中观察到的模式可以在两个独特的组件中分开：我们调用这些电子模式和B模式。在CMB偏振的情况下，这两个组件携带关于早期和晚期宇宙的非常不同和互补的信息。“

CMB是来自早期宇宙的光芒，当它首先变得透明到辐射，大约38万年后大爆炸。CMB的温度和极化的温度存在波动，这表示该时期的密度和压力的微小差异。CMB的极化具有与返回早期宇宙的e-and b模式的独特模式。但是这种图案，特别是B模式分量的强度，随着偏振的CMB传播在宇宙中的偏振CMB而进行了大量的变化。

“当引力透镜扭曲偏振CMB光子时，它将部分E模式转变为B模式，”Vieira解释说。

只有小部分的CMB是极化的，因此信号是非常弱的信号并且极难检测。在2002年首次在2002年开始，具有比B模式的强度更强的CMB偏振的E模式分量，并在接地的角度刻度干涉仪（DASI）以及以下几年内具有各种其他实验。B模式是一个极其弱的信号，直到现在，仍未被未被发现。

“在我们的研究中，我们将SPT观察到的极化CMB与Herschel的独立数据组合。这种技术允许我们最后发现引力透镜引起的B模式，“Vieira评论。

宇宙学家由于来自SPT的数据中的重力透镜而检测到B模式信号。为了使他们的检测更加强大，他们增加了Herschel的互补观察，以跟踪导致镜头的星系的大规模分布。

用SPT（左）和Herschel（右）观察到的宇宙微波背景和宇宙红外背景。版权：来自G. Holder等人的图像，2013年，Astrophysical Journy Backess，771，L16

“赫歇尔为我们提供了一个很好的数据集，以重建扭曲CMB的星系的重力潜力，”Vieira说。

“包括我们分析中的HERSCHEL数据使SPTPOL数据对乐器效果敏感，并且是隔离镜头引起的B模式信号的关键。”

利用其宽的光谱覆盖范围从远红外到亚毫米波长，Herschel对宇宙红外背景（CIB）敏感。与来自早期宇宙的漫反射的CMB相比，CIB是累积背景，并且随着恒星和星系的形成，它在大爆炸后开始数亿年。

虽然星星主要在紫外线波长下闪耀，但在整个宇宙的整个年龄，大约一半的能量被星系中的宇宙尘埃吸收;这种冷尘在更长，远红外波长的星光射击。因此，CIB封装了星形成的宇宙历史。

星系倾向于在嵌入在暗物质晕圈中的星系集群中，这些大浓度的黑暗和正常物质是导致CMB的重力透镜。因此，由于后者追踪负责偏转的镜头，因此在赫尔斯透镜的CMB和Herschel检测到的CIB之间存在非常强烈的相关性。通过在存在更多（或更少）星系的天空中定位点，Herschel数据中包含的额外信息允许团队更清楚地看到重力镜头效果。

此图像显示宇宙中的大规模分布的密度，如沿着视线所投射的，并使用两种不同类型的数据估计。版权：来自G. Holder等人的图像，2013年，Astrophysical Journy Backess，771，L16

第一个结果在重力透镜CMB的研究中打开了一个新的时代。到目前为止，宇宙学家已经成功地研究了CMB温度的重力透镜，但这种信号受到大程度的内在噪声，并且在最佳电流结果上显着改善。研究重力透镜在极化CMB中的效果，预计将提供一种更清洁的物质分布探针，导致镜头。

“极化具有对CMB的重力镜头研究未来的关键，”麦格兰大学在加拿大蒙特拉尔大学的评论邓肯·汉森，是报告发现的论文的第一个作者。

“这一领域现在处于早期阶段，但随着我们收集越来越多的数据，我们将能够以更高的精度研究大规模的物质分布。”

该研究基于与SPTPOL的观察结果与SPTPOL一起与大型天空的HESCHEL数据，测量100平方度，与SPTPOL进行的调查重叠。

“很高兴看到这种巧妙的使用Herschel数据在实现CMB极化中的第一次检测的B形模式时，这是大约一千万的一个水平的波动，”英国ESA的赫尔希尔项目科学家招聘意见。

“这项工作显示了可用的Herschel数据的宝库形象的另一个使用，”他补充道。

除了其在重力透镜的应用外，B模式的发现是一个里程碑，因为它证明了可以检测这种信号。在全球范围内，宇宙学家仍在寻找不同类型的B模式，通过基于原始重力波创造的，使用包括SPT和Planck的实验。宇宙学家认为，宇宙开始具有早期的加速扩张的阶段，称为通货膨胀。在这种非常快速的阶段，这是指数增强了宇宙的大小，认为也产生了引力波。

“引力波是时空织物中的涟漪，我们认为在通胀期间产生的那些在CMB极化的B模式分量中留下了印记，”解释了Kavli宇宙物理研究所的斯蒂芬霍弗美国芝加哥大学。

寻找这样的信号将提供重要信息，以研究早期的宇宙和通货膨胀。然而，通过原始重力波引起的B模式可能证明更复杂，因为它们预期对由重力透镜引起的那些具有非常不同的性质。由于原始B-MODES在比本研究中的那些探查的角度更大的角度显而易见，因此宇宙学家需要扫描并分析天空较大部分上的信号。此外，由于仍然困扰通货膨胀的许多理论不确定性，宇宙学家仍然是他们正在寻找的信号的幅度和形状。

“我们能够检测到CMB极化中的B模式的事实是一个很大的实验成功。我们都渴望了解这是否会更令人兴奋的原始引力波的发现之后，“韦莱拉总结道。

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研究报告的PDF副本：

图片：esa和普朗克协作; D. Hanson等，2013年，物理评论信; G. Holder等，2013年，Astrophysical Journs封口，771，L16