一张CMB-S4探测器晶圆的照片，该晶圆正准备在劳伦斯伯克利国家实验室的低温恒温器中进行测试。图片来源：ThorSwift/劳伦斯伯克利国家实验室

天文学家目前正在推动天文学的前沿。此时此刻，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）等天文台正在观察宇宙中最早的恒星和星系，这些恒星和星系形成于被称为“宇宙黑暗时代”的时期。这个时期以前是望远镜无法进入的，因为宇宙被中性氢云所渗透。#玩转AI摘要#

因此，今天唯一可见的光是来自大爆炸的遗迹辐射——宇宙微波背景（CMB）——或者是由氢的再电离产生的21厘米光谱线（又名氢线）。

现在，黑暗时代的面纱正在慢慢揭开，科学家们正在通过观察大爆炸产生的“原始引力波”来思考天文学和宇宙学的下一个前沿。在最近的新闻中，宣布美国国家科学基金会（NSF）已向芝加哥大学授予万美元，这是赠款的第一部分，最高可达万美元。这笔赠款的目的是资助下一代望远镜的开发，这些望远镜将绘制CMB和大爆炸后立即产生的引力波。

引力波（GW）最初是由爱因斯坦的广义相对论预测的，是由黑洞和中子星等大质量物体合并引起的时空涟漪。科学家们还推测，在大爆炸期间形成了GW，今天仍然可以作为背景中的振动可见。芝加哥大学CMB-S4项目的研究人员与劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）合作，寻求在南极洲和智利建造望远镜和基础设施来寻找这些波。

目前，来自20个国家多个机构的名科学家参与了这项合作。整个项目拟由核供应国集团和美国能源部（DoE）共同资助，由芝加哥大学领导，而劳伦斯伯克利国家实验室将领导能源部部分。该项目预计总成本约为8亿美元，并于年代初投入运营。除了寻找原始GW之外，这些望远镜还可以以令人难以置信的细节绘制CMB，并揭示宇宙如何随时间变化。

这些望远镜还可以帮助寻找难以捉摸的“黑暗宇宙”，并验证我们目前的宇宙学模型。约翰·卡尔斯特罗姆（JohnCarlstrom）是芝加哥大学天文学、天体物理学和物理学的SubrahmanyanChandrasekhar杰出服务教授，也是CMB-S4的项目科学家。“有了这些望远镜，我们将测试我们关于整个宇宙如何形成的理论，但也在最极端的尺度上观察物理学，这是我们在地球上的粒子物理实验根本无法做到的，”他在芝加哥新闻的一份声明中说.

由于CMB携带有关宇宙诞生的信息，科学家们几十年来一直在绘制它。其中包括苏联RELIKT-1、美国宇航局的宇宙背景探测器（COBE）、威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和欧空局的普朗克卫星等天基望远镜。这些任务测量了CMB中微小的温度各向异性（波动），并越来越详细地测量了这些温度各向异性，提供了关于宇宙如何开始的线索。然而，我们需要的是足够灵敏的望远镜来回答更深层次的宇宙学问题，比如宇宙是否始于暴胀。

为此，CMB-S4将建造极其复杂的仪器，从航天器和地面绘制宇宙的第一缕曙光。该阵列将包括智利阿塔卡马高原的两台新望远镜和NSF南极站（SPS）的九台较小的望远镜。该项目还将依靠南极望远镜，该望远镜自年以来一直在SPS运行。每个站点都将发挥重要作用，智利的望远镜将对天空进行广泛的调查，以捕捉CMB的更详细图像。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深入、连续的观察。

智利的观测将有助于提高我们对物质演化和分布的理解，并寻找早期宇宙中可能存在的遗迹光粒子。同时，南极洲的望远镜将提供对宇宙的独特观察，因为地球的其余部分在这里旋转，可以连续观测天空的一部分。他们的共同努力将使天文学家能够寻找时空中的涟漪，这些涟漪只能从比亚原子粒子小的空间突然膨胀成更大的体积中出现。

劳伦斯伯克利国家实验室物理学家JimStrait（CMB-S4项目主任）说，这是一个雄心勃勃但有价值的目标。“在许多方面，通货膨胀理论看起来不错，但大多数实验证据在某种程度上都是间接的，”他说。“找到原始引力波将是一些人所说的通货膨胀的吸烟枪。

由于这些涟漪会与CMB相互作用并留下明显（但极其微弱）的特征，因此CMB的大规模和连续映射应该提供它们存在的迹象。CMB-S4还应该提供有关暗物质和暗能量性质的线索。前者理论上占宇宙质量的大部分（约69%），而后者则负责其加速膨胀的速度。此外，绘制原始引力波的地图也将帮助科学家找到引力和量子力学之间的联系。

微波探测器已经非常灵敏，以至于测量主要由背景噪声和局部干扰主导。因此，计划为CMB-S4联合实验配备近,个超导探测器，超过以往所有实验的总和，并大大增加测量次数，以提供信号电平的精确测量并降低噪声。美国国家科学基金会（NSF）的新拨款将帮助资助新望远镜和站点基础设施的设计，这将是有史以来最复杂的。