Proof of concept of the COSMOCal project at the IRAM 30m telescope
本文报告了 COSMOCal 仪器在 IRAM 30 米望远镜上于 2024 年 9 月成功完成的验证任务，该仪器是一种新型空间载荷概念，旨在为当前及下一代宇宙微波背景实验提供绝对极化定标。
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想象一下，宇宙就像一个巨大的、古老的广播电台，正从它诞生那一刻起，播送着一段微弱且充满静电噪声的信号。这段被称为宇宙微波背景（CMB）的信号是现存最古老的光，承载着关于宇宙如何开始以及如何演化的秘密。然而，这段信号极其微弱，并且带有一个转折：它是“偏振”的，这意味着光波在特定的方向上振动，就像绳子被上下抖动与左右摆动之间的区别。为了读取宇宙隐藏的信息——例如由创生之初那短短一瞬所引起的涟漪——科学家需要以极高的精度测量这些方向。
问题在于，我们的望远镜就像是不完美的尺子。随着时间的推移，仪器本身可能会变得稍微“失准”，导致误读光波的角度。如果望远镜认为一个波是在10度方向振动，而实际上是10.1度，它就可能错过关于大爆炸最重要的线索。为了解决这个问题，天文学家需要一个“主参考源”，一个完美、恒定不变的信号源，以便他们可以将望远镜对准它来检查准确性。通常，他们使用明亮的恒星或星云，但即使是这些天体也存在自身的波动和不确定性。COSMOCal项目提出了一个激进的解决方案：与其观察遥远的恒星，不如建造一个微型的人造卫星，使其成为天空中一个完美的人造灯塔，发射出具有已知且不可动摇的偏振角度的信号。
这篇论文描述了该构想的一个关键“概念验证”测试。在将真正的卫星发射到太空之前，团队构建了一个地面原型机，并将其与位于西班牙一座山上的大型射电望远科——IRAM 30米望远镜进行了对比测试。目标是观察这个人工“灯塔”是否能够成功地与一台真实的望远镜进行“对话”，并帮助其校准测量值。
团队将原型源设置在距离望远镜约2.3公里的地方，这本质上创建了一个“近场”测试环境，即信号源足够近，可以被清晰观测，但又足够远，足以模拟一个遥远的物体。他们使用了两个聪明的技巧来精确掌握信号源的指向。首先，他们利用信号源上的相机拍摄地面照片，通过摄影测量法进行三角定位；其次，他们通过一个偏振器照射激光，并观察产生的衍射图样（一种特定的光形）来确定信号的角度。
当他们开启信号源并将望远镜对准它时，结果取得了圆满成功。望远镜的探测器——这些探测器是极其灵敏的超导传感器——立即捕捉到了信号。团队可以看到信号随着信号源旋转部件的节奏而闪烁，这证明了“灯塔”正在工作，且望远镜正在倾听。随后，他们旋转了信号源的偏振器到不同角度，并观察望远镜的读数如何随之变化。数据展示了一个清晰的线性关系：当信号源改变角度时，望远镜的测量值也完美同步地发生变化。
然而，这次测试也揭示了一些坎坷。虽然系统可行，但其精度尚未达到团队对最终太空任务所期望的那种锐利程度。测量结果存在约3度的误差，这比未来最敏感实验所需的0.1度目标要大得多。作者解释说，这种“模糊性”源于他们使用的是“近场”设置（信号源相对较近），以及望远镜镜面中一些光学特性导致的轻微光线散射。他们还指出，望远镜的内部组件引入了一些微小的、可预测的误差。
尽管存在这些局限性，实验仍证明了核心理念是行得通的。团队成功演示了人工光源可以为大型望远镜的校准提供一个稳定、独立的参考。他们表明，通过结合相机照片和激光图样，可以高置信度地重建信号源的角度。论文总结道，虽然这个特定的地面设置遇到了一些障碍，但方法是可靠的。它为下一步铺平了道路：建造一个更先进的版本并将其发射到太空，届时它将作为全球望远镜的永久、完美的校准信标，帮助它们解锁宇宙最深处的奥秘。
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