美国国家科学基金会（NSF）奖励高达$21.4M的下一代望远镜设计，以捕捉宇宙最早的时刻

最大的问题

宇宙微波背景是从大爆炸后的最初时刻开始仍在宇宙中传播的光。由于它携带着有关宇宙诞生的信息，科学家们已经建造了极其复杂的仪器来绘制这些光，这些仪器来自智利阿塔卡马高原的航天器和地面以及NSF的南极站，包括目前的南极望远镜，自2007年以来一直在运行。

但是，我们需要建造新一代的望远镜来回答最大的问题，比如我们的宇宙是否始于时间之初的爆发膨胀，即所谓的暴胀，这会将微小的量子力学波动延伸到当今宇宙中所有结构的初始种子中。

CMB-S4将涉及两个地点的望远镜：一个大型望远镜和九个位于南极洲的小型望远镜，以及位于智利山区的两台大型望远镜。每个地点在实现项目的科学目标方面都发挥着至关重要的作用。

智利的望远镜将对天空进行广泛的调查，试图捕捉宇宙微波背景的更完整、更精确的图像，并通过它帮助我们了解宇宙中物质的演化和分布。该项目还可以寻找“遗迹”光粒子的证据，许多理论认为这些粒子可能存在于早期宇宙中。CMB-S4应该提供关于被称为暗物质的神秘物质的性质的线索，以及导致宇宙加速膨胀的暗能量。

与此同时，美国国家科学基金会（NSF）南极站的望远镜将对天空的一小部分进行非常深入、持续的观察。“南极是唯一一个允许望远镜连续观察天空中一个地方的位置，因为它位于地球其余部分旋转的极点，”CMB-S4副项目经理Jeff Zivick解释道。

这将使望远镜能够寻找所谓的原始引力波的证据 – 如果宇宙真的从比单个亚原子粒子小得多的空间爆炸形成时，时空中的涟漪就会产生。这些涟漪将与宇宙微波背景相互作用，产生一种独特但极其微弱的特征。

这是一个雄心勃勃的目标。“在许多方面，暴胀理论看起来不错，但大多数实验证据在某种程度上都是间接的，”劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家、CMB-S4项目主任吉姆·斯特雷特（Jim Strait）说。“找到原始引力波将是一些人所说的通货膨胀的’吸烟枪’。

原始引力波也是将引力与量子力学定律联系起来的证据。两种理论之间的不匹配，一种适用于宇宙中最大的尺度，另一种适用于最小的尺度，几十年来一直困扰着科学家。

最终确定设计

美国国家科学基金会（National Science Foundation）的新奖项将有助于资助新望远镜和基地基础设施的设计工作。从概念设计到最终设计涉及望远镜的分析、模拟和建模以及测试组件。尽管基础技术已经过很好的理解，并且已经过现场测试，但CMB-S4的设计工作尤为重要，因为其中几台望远镜将是有史以来最复杂的望远镜。

CMB-S4预计将拥有近500,000个超导探测器，比所有前体宇宙微波背景实验的总和有了显着增加。卡尔斯特罗姆解释说，探测器已经非常灵敏，以至于测量中的噪声被天空和大气中其他一切的背景噪声所主导。因此，计划是大幅增加测量次数并对其进行平均，以提供信号电平的精确测量并大大降低噪声。

探测器数量的增加还需要该项目的许多其他组件来扩大规模。“例如，我们将需要建造多个比以往任何时候都大的低温恒温器，以有效地将所有这些探测器冷却到接近绝对零度的温度，”芝加哥大学和费米实验室的科学家Brad Benson副教授说，他正在领导为CMB-S4设计大型相机低温恒温器的努力。

CMB-S4项目预计将由美国国家科学基金会和美国能源部资助。该项目的国家科学基金会部分由芝加哥大学领导，而能源部的部分由劳伦斯伯克利国家实验室领导。