天文学家目前正在推动天文学的前沿。此时此刻，像詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)这样的天文台正在观察宇宙中最早的恒星和星系，它们是在被称为“宇宙黑暗时代”的时期形成的。这一时期以前是无法用望远镜观测到的，因为宇宙中充满了中性氢云。

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)——或氢再电离产生的21厘米谱线(又名氢谱线)。

现在，黑暗时代的面纱正在慢慢被揭开，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领域。最近有消息称，美国国家科学基金会(NSF)已向芝加哥大学拨款370万美元，这是第一笔拨款，最高可达2140万美元。这笔赠款的目的是资助下一代望远镜的开发，这些望远镜将绘制宇宙微波背景和大爆炸后立即产生的引力波。

引力波(GW)最初由爱因斯坦的广义相对论预言，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，大爆炸期间形成的引力波在今天仍然可以作为背景振动可见。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，该合作涉及来自20个国家100多个机构的450名科学家。整个项目拟由NSG和美国能源部(DoE)共同资助，其中NSF部分由芝加哥大学牵头，而劳伦斯伯克利国家实验室将牵头DoE部分。该项目预计总耗资约8亿美元，并于2030年代初期投入运营。除了寻找原始引力波之外，这些望远镜还可以极其详细地绘制宇宙微波背景图，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”并验证我们当前的宇宙学模型。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SubrahmanyanChandrasekhar杰出服务教授，也是CMB-S4的项目科学家。他在芝加哥大学的一次演讲中说：“通过这些望远镜，我们将测试整个宇宙如何形成的理论，同时也在最极端的尺度上观察物理学，而这是我们在地球上进行粒子物理实验所无法做到的。”新闻声明。

由于宇宙微波背景携带着有关宇宙诞生的信息，科学家们几十年来一直在绘制它的地图。其中包括苏联RELIKT-1等天基望远镜、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)和欧洲航天局的普朗克卫星。这些任务越来越详细地测量了宇宙微波背景中的微小温度各向异性(涨落)，为宇宙如何开始提供了线索。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，以绘制来自航天器和地面的宇宙第一束光。该阵列将包括智利阿塔卡马高原的两架新望远镜和美国国家科学基金会南极站(SPS)的九架较小的望远镜。该项目还将依赖南极望远镜，该望远镜自2007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，以捕获CMB的更详细图像。与此同时，美国国家科学基金会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。

智利的观测结果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残余光粒子。与此同时，南极洲的望远镜将为宇宙提供独特的视角，因为地球的其余部分在这里旋转，从而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，这种涟漪只能从比亚原子粒子突然膨胀到更大体积更小的空间中出现。

劳伦斯伯克利国家实验室物理学家吉姆·斯特雷特(CMB-S4项目总监)表示，这是一个雄心勃勃但值得实现的目标。“在很多方面，通货膨胀理论看起来不错，但大多数实验证据都有些间接，”他说。“找到原始引力波将被一些人称为暴胀的‘确凿证据’。”

由于这些涟漪会与宇宙微波背景相互作用并留下明显(但极其微弱)的特征，因此大规模、连续的宇宙微波背景测绘应该能够表明它们的存在。CMB-S4还应该提供有关暗物质和暗能量本质的线索。从理论上讲，前者占宇宙质量的大部分(约69%)，而后者则是宇宙膨胀速度加快的原因。此外，绘制原始引力波图也将帮助科学家找到引力与量子力学之间的联系。

微波探测器已经非常敏感，测量结果主要受到背景噪声和局部干扰的影响。因此，计划为CMB-S4组合实验配备近50万个超导探测器，比之前所有实验的总和还要多，并大幅增加测量数量，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的新拨款将用于资助新望远镜和站点基础设施的设计，这将是有史以来建造的最复杂的望远镜和基础设施。