宇宙学家们谈论宇宙微波背景辐射，这是他们在宇宙诞生40万年时拍摄的快照，以至于现在看来它已经被充分挖掘了。毕竟，欧洲航天局计划让其新的普朗克卫星提取辐射空间模式中“基本上所有可用的信息”。但着眼于普朗克之后的宇宙学家们表示，辐射有一个几乎未被探索的方面，如果能够以足够的精度观察到，将揭示关于早期宇宙的新细节：它的光谱。
天文学家经常使用太阳和其他恒星发出的彩虹色光谱来确定它们的成分。在今年1月举行的美国天文学会会议上，德国加兴马克斯·普朗克天体物理研究所的著名天体物理学家拉希德·苏尼亚耶夫认为，普朗克的后继者可能会在背景辐射中发现类似的指纹，而背景辐射的光谱目前看起来完全没有特征且是通用的。
在传统的图景中，背景辐射由大爆炸最初时刻产生的光子组成。它们在宇宙射击游戏中与质子和电子散射，直到一切冷却到足以让质子抓住电子并形成氢原子——这个过程被称为复合。由于原子是电中性的，因此它们不太容易散射光子。因此，光子开始或多或少地沿直线穿越太空。射击游戏彻底地捣碎了它们的光谱，宇宙学家们只能从中收集到物质的总体密度。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保关于塑造我们当今世界的发现和思想的有影响力的故事的未来。
然而，这个图景掩盖了两个细微之处。首先，质子花了一段时间才牢牢抓住电子。最初，它们的抓握是试探性的。为了加强抓握，新形成的原子必须通过发射光子来失去能量，并且它以自己的节奏这样做。更复杂的是，来自一个原子的光子倾向于将电子从另一个原子上击落。就像桶里的螃蟹一样，原子们互相阻挠。克服它们之间对抗的是宇宙膨胀，它消耗了光子的能量，并逐渐使平衡向原子形成而非破坏倾斜。通常引用的40万年时间框架只是一个方便的里程碑；复合实际上花费了长达数百万年的时间才完成。
第二个细微之处是，尽管宇宙主要由氢组成，但它也含有相当数量的氦。由于氦核的电荷是质子的两倍，因此它具有更强的结合力，并且更早地形成了原子，大约在15,000年时捕获了第一个电子，在100,000年时捕获了第二个电子。更重要的是，它们避免了螃蟹桶综合症。少量的氢原子先锋队充当了调节剂，在氦原子发射的光子摧毁另一个氦原子之前将其拦截。因此，氦原子迅速形成。
氢和氦发射的光子为原始汤添加了一些成分指纹。测量氦发射的光子数量将准确地确定宇宙合成了多少氦——这个数量现在必须从恒星中氦的含量中推断出来，而且很困难。“这是一个绝对明确的方法来找到氦的原始丰度，”苏尼亚耶夫说。此外，来自氦的光子可以追溯到微波背景释放之前的时代。它们可能带有现在对我们隐藏的过程的印记，例如奇异粒子衰变。
问题在于氦光子的数量比原始光子少十亿分之一。幸运的是，由于氦原子形成得如此迅速，它们发射的光子集中在某些频率上，称为光谱线。苏尼亚耶夫和加拿大理论天体物理研究所的延斯·楚巴敦促开展一项新的任务，扫描频率以寻找光子数量的峰值，就像用手指划过表面以感受太小而无法用尺子测量的凸起一样。“为了观察这些线，你必须观察一个固定的位置并在频率上扫描，”加那利群岛天体物理研究所的何塞·阿尔贝托·鲁比诺-马丁说。相比之下，包括普朗克卫星在内的现有任务观察的是固定频率并在位置上扫描。
在某种程度上，宇宙学历史正在重演。几十年来，微波背景的空间测量看起来完全均匀，直到宇宙学家发现了空间涨落。现在光谱测量看起来完全均匀。一旦宇宙学家看到光谱涨落，他们预计将会有另一波关于早期宇宙的信息涌入。
这个故事最初以标题“光谱感觉”发表