星系。恒星，星際氣體，塵埃，恒星碎片和暗物質(zhì)的混合。他們在寒冷的宇宙中漫步，重力引誘了他們的擁抱。有時，星系會滾滾成巨大的星系團，其質(zhì)量平均是太陽的100萬億倍。

但這并非總是如此。

在嬰兒宇宙中，溫度是如此之高，以至于電子和質(zhì)子太熱而無法形成原子。一切都是熱的，電離的氣體，與太陽表面不同。

在接下來的40萬年中，宇宙膨脹并冷卻到大約3,000攝氏度，大約相當于工業(yè)熔爐的溫度。在這些溫度下，電子和質(zhì)子在此過程中結(jié)合成氫原子并釋放出光子。從那時起，這種稱為宇宙微波背景輻射的光一直在空間中傳播，這是時空的水印。

現(xiàn)在，科學家們發(fā)現(xiàn)了從這種取之不盡的時光機器中取笑信息的新方法。

用CMB極化約束宇宙學

在《物理評論快報》上發(fā)表的一項研究中，費米實驗室和芝加哥大學的科學家布拉德·本森及其同事使用宇宙微波背景的極化或取向，使用一種新的數(shù)學估計器來計算巨大星系團的質(zhì)量。這是科學家第一次使用CMB的極化和新穎的估算方法測量這些質(zhì)量。

本森說：“做出這一估計很重要，因為大多數(shù)星系團的質(zhì)量甚至都不可見-它是暗物質(zhì)，它不發(fā)光，而是通過引力相互作用，占整個宇宙物質(zhì)的85%。”

科學家的工作最終可能會揭示暗物質(zhì)，暗能量和宇宙學參數(shù)，從而揭示更多有關宇宙中結(jié)構形成的信息。

在Amundsen-Scott南極站，被稱為“燒杯”的支持人員和科學家日以繼夜地管理南極望遠鏡。這不是一件容易的事。阿蒙森-斯科特南極站位于地球上最南端，那里的平均氣溫為攝氏零下47攝氏度，太陽每年升起并落山一次。但是南極望遠鏡(一種稱為CMB的10米望遠鏡)負責觀測宇宙微波的背景，在這種惡劣的環(huán)境中，它具有超過其科學目標的能力。

南極望遠鏡上的相機測量的CMB光線在南方天空上偏振的微小波動平均約為1億分之一，比迄今為止任何其他實驗都要敏感。

本森說：“這些微小的變化可能受到諸如銀河星團之類的大物體的影響，這些星團充當透鏡，在我們的信號中產(chǎn)生獨特的失真。”

本森和其他科學家正在尋找的信號是星系團周圍的小規(guī)模漣漪-一種稱為引力透鏡效應。通過查看一個透明的酒杯的底部，您會看到類似的效果，在該酒杯的后面點燃蠟燭。

本森說：“如果在火焰下透過酒杯底座的底部看，就會看到一束光。這就像我們從強重力透鏡上看到的效果一樣。”“我們在這里看到了類似的效果，除了失真要弱得多，CMB的光散布在天空上更大的區(qū)域上。”

但是有一個問題。科學家估計，即使使用他們的新數(shù)學估計器，他們也需要查看大約17,000個星系團，以測量CMB的引力透鏡效應，并確定地估計星系團的質(zhì)量。盡管南極望遠鏡提供了對CMB極化的更深入，更靈敏的測量，但其星系位置庫僅包含約1,000個星系團。

目的地：智利

為了確定更多的星系團位置，以檢查CMB光線在星系團周圍的引力透鏡，科學家需要從南極以北約6,000公里到達智利的阿塔卡馬地區(qū)，該地區(qū)是塞羅·托洛洛美洲天文臺的所在地。暗能量相機安裝在海拔2200米的塞羅托洛洛(Cerro Tololo)的4米布蘭科望遠鏡上，是世界上最大的數(shù)碼相機之一。它的520兆像素能夠看到來自數(shù)十億光年遠的物體的光，并以前所未有的質(zhì)量捕獲它們。最重要的是，攝像機捕獲了科學家觀察17,000個星系團的光和位置，以觀察星系團對CMB光的引力透鏡。

科學家使用費米實驗室領導的暗能量調(diào)查獲得的三年數(shù)據(jù)，確定了這些星團的位置，然后將這些位置放入計算機程序中，以搜索這些星團在CMB極化中的引力透鏡證據(jù)。一旦發(fā)現(xiàn)證據(jù)，他們就可以使用新的數(shù)學估計器自己計算星系團的質(zhì)量。

目的地：未受破壞的地方

在當前的研究中，科學家發(fā)現(xiàn)星系團的平均質(zhì)量約為我們太陽質(zhì)量的100萬億倍，這一估計與其他方法相符。這種物質(zhì)的很大一部分是暗物質(zhì)。

為了更深入地探索，科學家計劃使用2017年安裝的升級版南極望遠鏡相機SPT-3G和下一代CMB實驗CMB-S4進行類似的實驗，這將進一步提高靈敏度和更多的星系團檢查。

CMB-S4將由專用望遠鏡組成，這些望遠鏡將在南極，智利阿塔卡馬高原和可能的北半球站點運行，配備高靈敏度超導照相機，從而使研究人員能夠限制通貨膨脹，暗能量以及中微子的數(shù)量和質(zhì)量的參數(shù)，甚至大規(guī)模測試廣義相對論。

有天賦的講故事者和美食作家安東尼·布爾登(Anthony Bourdain)曾經(jīng)稱南極洲為“地球上最后一個未被破壞的地方……人們聚在一起探索純科學的藝術，尋找所謂的事實。”

科學家們遠遠超出了南極洲，到達了我們宇宙最遙遠的另一個未受污染的地方，以應對基本的宇宙學參數(shù)和我們宇宙中結(jié)構的行為。