Status of BICEP Array and Integration of the 220/270 GHz Receiver

宇宙始于一个由能量和物质组成的炽热、翻腾的“汤”，在极短的时间内经历了剧烈的膨胀，随后冷却成我们今天看到的广袤宇宙。这种被称为“暴胀”的膨胀过程，留下了一层填充在所有空间中的微弱光辉余晖，即被称为宇宙微波背景的遗迹。虽然这些光线在很大程度上是均匀的，但它们携带了极其微小的温度波动以及波形的细微偏振（或称对齐）。科学家们认为，早期宇宙中最剧烈的时刻——特别是空间的快速拉伸——会在这种光中创造出一种独特的扭转模式，被称为 B 模（B-modes）。探测到这些特定模式是现代宇宙学最重要的目标之一，因为它们将证实暴胀理论，并揭示宇宙诞生的能量尺度。然而，寻找这一信号就像是在飓风中聆听低语；宇宙中充满了其他来源的偏振光，例如我们自身星系中的尘埃，它们很容易淹没或模拟出微弱的宇宙信号。

为了解决这个谜题，一个研究团队正在南极开展一项名为 BICEP Array 的宏伟项目。这里提供了清晰、干燥的天空视野，对于观测最微弱的信号至关重要。该项目使用一系列专门的望远镜（或称接收器），它们被调谐到不同的光频。通过在多个频率下观测天空，团队可以区分古老的宇宙信号与由星系尘埃产生的背景噪声。本文详细介绍了这项实验的现状，强调了两个已完成接收器所取得的进展，以及正在进行的、旨在完成第三个高频接收器的关键工作，该接收器专门用于绘制并消除尘埃干扰。

该团队已经部署了两个功能完备的接收器。其中一个运行在较低频率，用于追踪同步辐射（一种由高速电子发射的光）；另一个运行在 150 GHz 的频率，这被认为是观测宇宙背景的最佳窗口。来自这些仪器的多年观测数据正被整合到之前的观测结果中，以创建迄今为止最灵敏的天空图谱。这些图谱正以越来越高的清晰度展示着早期宇宙的预期模式。低频仪器已被证明非常有效，它现在提供的关于同步辐射前景的约束比以往任何外部数据源都要好。与此同时，尽管 150 GHz 接收器仅有两年的观测时间，但其数据深度已经达到了一个运行了十八年的旧望远镜阵列的水平，这表明该团队绘制天空的速度实现了巨大的飞跃。

该团队最紧迫的任务是完成第三个接收器，该接收器被调谐在更高的频率（220 和 270 GHz）。该仪器是清理宇宙图谱中星系尘埃的关键，而尘埃目前在他们的测量中占据了显著的不确定性部分。该接收器于 2024 年部署，目前处于部分完成状态，已安装了 12 个探测器模块中的 7 个。团队计划在 2027 年观测季之前安装剩余的 5 个模块，这一目标目前是他们的首要任务。如果没有这些高频数据，他们就无法完全将尘埃从宇宙信号中分离出来，而这对于达到最终的灵敏度目标至关重要。

在 2025–26 年夏季期间，团队对这个部分完成的接收器进行了初步测试，以观察其性能表现如何。他们测量了探测器捕捉光线的效率，检查了它们调谐的具体频率，并绘制了望远镜视场的形状图。220 GHz 模块的结果总体令人满意，大多数探测器的效率都高于 20% 的阈值。团队还确认了探测器已调谐至正确的频率，且其视场形状符合理论预测。然而，单个运行在 270 GHz 的模块表现出的效率低于预期。团队怀疑这是由于制造过程中的对准问题导致的，而该问题在更新的设计中已得到修正。他们计划在填满接收器的其余部分后更换这个表现不佳的模块，并预计新组件的表现会显著提升。

BICEP Array 的终极目标是达到一种精度水平，使其能够测量张量标量比（一个描述暴胀信号强度的数值），并将不确定性控制在约 0.001 左右。目前的预测表明，如果团队成功完成高频接收器并将其数据与现有仪器结合，他们将在 2034 年实现这一目标。这一时间表假设他们能够利用新图谱有效地去除尘埃污染，并能解释尘埃在不同频率下的微妙行为。本文报告的进展证实了硬件运行符合预期，且前进的道路是清晰的，这使科学界距离理解我们宇宙最初时刻的目标又近了一步。