南极望远镜的科学家讲述工作感受：干燥寒冷是最佳研究场所

想要了解宇宙进化的秘密，通过研究几十亿年前发出的光或许是最佳途径。而研究它们的最佳场所自然是南极，寒冷、干燥是研究宇宙中最古老光线的最佳条件。所以，包括芝加哥大学和阿贡国家实验室在内的 20 多所大学和国家实验室合作启动了 The South Pole Telescope 项目，并于 2007 年开始运行。

在接受科技媒体 Scitechdaily 采访的时候，来自阿贡国家实验室的两位物理学家谈论了他们在南极望远镜的工作以及为什么它很重要。Lindsey Bleem 在望远镜上收集和分析数据，Clarence Chang 则为望远镜开发超导探测器。

什么是宇宙微波背景？它能告诉我们关于宇宙的什么？

Chang：宇宙微波背景（cosmic microwave background，CMB）是在宇宙大约 38 万年的时候产生的信号。它对应的时期是宇宙从质子和电子飞来飞去的超热等离子体转变为在宇宙冷却到一定程度后，质子和电子可以形成原子。

今天，这个信号出现在较长的波长，在微波范围内（几毫米）。因此，通过研究和观察这些波长的宇宙，我们可以看到早期的宇宙–基本上，捕捉到一个婴儿的照片。

Bleem：自从 20 世纪 60 年代首次发现 CMB 以来，我们就知道它是非常均匀的。温度的偏差，也就是 Chang 谈到的这个早期等离子体的密度变化，只有大约十万分之一的偏差。我们知道，这些小的波动不得不在整个宇宙时代增长。

除了给我们提供这张漂亮的照片，有效地，婴儿宇宙的照片，当时发出的光一直在宇宙的整个时代旅行，140 亿年。它与所有自这些早期时代形成的结构相互作用。因此，我们可以研究这些结构在 CMB 中留下的非常微妙的印记，以真正找出从它被发射出来到今天所发生的过程和物理学。

是如何研究的？

Bleem：我们通过几个重要的、不同的科学分析来做到这一点。一个是所谓的引力透镜（gravitational lensing）。这是指沿视线的天文质量实际上可以使光的路径发生偏转。

第二个是物理学，当光子–来自宇宙微波背景的光–可以从这些中间结构的材料上散射开来时发生的。我们可以追踪这种散射过程，然后绘制出沿视线的结构图，这可以帮助我们探测像暗能量这样的东西，暗能量严重影响了真正大规模结构如星系团的形成能力。

为什么这个望远镜要设立在南极？

Bleem：南极本身，正如你可能从图片上想象的那样，是相当寒冷的。它非常干燥。它是世界上最大的沙漠。这使得它成为我们在南极望远镜所做的天文学研究的一个奇妙的地方。我们的望远镜以毫米级的波长进行观测。

大气层中的水削弱了我们感兴趣的毫米波长，而且水分子的抖动会给数据增加很大的噪音来源。因此，我们必须到这些偏远的干燥地方去做这些观测。而事实证明，南极是地球上绝对最好的地方，其次是智利的阿塔卡马沙漠。

在那种环境下工作是什么感觉？

Chang：我们在南极是因为那里很干燥。这种干燥对我们的观察是很好的。但是作为人类，我们喜欢空气中的一点点湿度。这是一个有点挑战性的东西，也会干扰到每天的工作方式。

Bleem：是的，这里不是最适合人类的。你的皮肤会开裂。在南极，伤口不会愈合得很好。在那种干燥的环境中，对计算机来说不是很好。实际上，我们有一个加湿器，在我们的一台电脑上吹气，使它运行得更愉快。

你在阿贡实验室的工作与望远镜有什么联系？

Chang：在阿贡，我们为探测器开发了一种超导技术。这些探测器必须测量波长相当长的光子–通常是一毫米、两毫米、三毫米。典型的相机技术，如我们手机中使用的技术，即使被推到极致，仍然不能很好地看到这些光子。事实上，它根本就看不到它们。

所以我们必须制造一种新的技术来做到这一点。其核心是，这意味着了解和控制超导材料，然后对其进行加工，以制造这些真正敏感的探测器，并制造大量的探测器。在阿贡，在研究基本材料和将其应用于不同技术方面有一个强大的计划。

Bleem：我们还将我们的探测器开发与使用阿贡领导力计算设施中最先进的超级计算机进行的所有工作紧密结合起来。因此，我们能够进行重要的理论预测，使我们能够将我们用南极望远镜进行的观测与不同宇宙学模型对我们应该看到的东西的预测联系起来。

因此，在阿贡有这种真正强大的相互联系，不仅在宇宙学家和材料制造设施以及那里的科学家之间，而且还与我们伟大的计算专家联系。

南极望远镜由美国国家科学基金会、美国能源部高能物理办公室、卡夫里宇宙学物理研究所、美国南极计划和南极支持合同资助和支持。