宇宙微波背景輻射中發現引力波

一個南極多學科科學家小組最近窺到了宇宙大爆炸的余暉。3月17日該小組宣布BICEP2試驗在宇宙微波背景輻射（CMB）的B模偏振中找到了引力波的第一個證據。

目前科學家們在尋找另一個印跡：CMB微波光子微弱偏振螺旋中記錄的引力波證據。找到這些螺旋有望證實大爆炸理論的暴脹觀點 – 其認為在宇宙出生1皮秒之前曾經以比光速快得多的速度膨脹。理論上，這種超光速（比光速更快）宇宙暴脹會產生引力波，其會在大爆炸所產生的光子的偏振中打上烙印。

該小組搜索引力波所依靠的專用相機采用過渡邊界傳感器（TES）輻射熱測量計測量E模（無旋）和B模（無梯度）微波輻射。該相機是圍繞麥吉爾大學基于賽靈思Virtex?-4 FPGA的第二代DFMUX開發板開發。

其他地方的天體物理學家在其自己的試驗中采用相同的賽靈思開發板，而其他的研究人員則在試用基于Kintex?-7器件的最新升級版相機。Kintex版本也是加拿大科學家將用于調查暗能量的大型望遠鏡的組成部分。

大爆炸的回響

CMB微波光子中的偏振變化稱為B模信號，該信號極其微弱。整體CMB黑體溫度為2.73K，而B模信號大致僅有1K的千萬分之一。

強度大得多的原始“E?！逼裥盘柕囊ν哥R效應以小角尺度產生B模信號，同時CMB與大爆炸暴脹過程中產生的引力波背景輻射相互作用會以大角尺度產生B模信號。

安裝在一個國際科學小組操作的10米南極望遠鏡（SPT）上的SPT偏振計（SBTpol）相機于2013年首次探測到CMB引力透鏡效應造成的B模偏振（圖1）。SPT與BICEP2（很快將升級為BICEP3）及凱克陣列CMB試驗儀器一同位于阿蒙森-斯科特南極站。

CMB是伴隨大爆炸的巨大能量爆發留下的最后回響。1964年阿諾?彭齊亞斯與羅伯特?威爾遜在新澤西州Holmdel貝爾電話實驗室中利用低溫接收器探究無線電噪聲來源時偶然發現了它。CMB是兩位科學家從其試驗數據中無法消除的一個噪聲源。CMB輻射的發現證明了宇宙大爆炸理論，使彭齊亞斯和威爾遜獲得了1978年諾貝爾物理學獎。

根據二十世紀六十年代早期試驗儀器的分辨率，CMB無論白天還是黑夜始終呈現各向同性。這種特征為CMB是大爆炸余暉的理論提供了支持。敏感度更高的測量（主要是宇宙背景探測者（COBE）衛星進行的測量）把整個天空的CMB映射到超高分辨率，然后顯示出CMB存在很小的變化（各向異性），其進一步加強了CMB是大爆炸印記的理論。此項發現使喬治?斯穆特和約翰?馬瑟贏得了2006年諾貝爾物理學獎。

氦冷卻偏振傳感器

二十世紀四十年代發現了超導體電熱平衡性及其測量入射電磁能量的功能，但是TES探測器直到二十世紀九十年代才得到廣泛應用。它們目前廣泛應用于CMB試驗儀器。SPTpol相機的氦冷卻超導焦平面微波傳感器是一個由1536個配對成768個偏振感應像素的天線耦合TES輻射熱測量計組成的陣列；180個像素對90GHz微波輻射敏感，而588個像素對150GHz輻射敏感。

150GHz CMB傳感器模塊由位于科羅拉多州博爾德市的國家標準技術研究所（NIST）制造的波紋喇叭天線耦合TES輻射熱測量計組成。每個150GHz TES輻射熱測量計模塊均包含一個探測器陣列以及84個在數百mK溫度下運行的雙偏振像素。入射微波能量沿共面波導傳輸到微帶過渡裝置，其為一個有損金制彎曲電阻（lossy gold meander）（一種加熱電阻器）饋送信號。進入彎曲電阻的入射微波能量起到加熱作用。彎曲電阻受熱會連接到由鋁錳合金制成的TES傳感器。這些TES器件在其超導相變中間運行，因此對接收到的光強度的微小變化極其敏感。

90GHz CMB傳感器由阿貢國家實驗室開發的單獨封裝雙偏振偏振計組成。每個90GHz像素都通過機械波狀喇叭天線（machined contoured feedhorn）（其把CMB輻射傳輸到電阻式PdAu吸收棒）與望遠鏡連接。電阻式吸收棒受熱后連接到鉬/金雙層TES（參見圖2）。

圖1 – 位于阿蒙森-斯科特南極站的南極望遠鏡

圖2 – 南極望遠鏡的微波焦平面陣列。內部的7個六邊形模塊是150GHz陣列，外部環形是90GHz陣列。每個像素都有自己的獨立喇叭天線，其可以把光耦合到各個相似的2個TES輻射熱測量計。

南極望遠鏡相機的氦冷卻超導焦平面微波傳感器是一個由1536個配對成768個偏振感應像素的天線耦合TES輻射熱測量計組成的陣列。

對于150GHz和90GHz傳感器，微波能量吸收造成的熱變化會造成各個TES的電阻出現幾個Hz級的緩慢變化。電阻的變化可以調節流經1536個TES輻射熱測量計每個中的載波電流。這些電流然后由低溫超導量子干涉儀（SQUID）進行放大。把1536個測量數值從焦平面傳感器和SQUID陣列的超低溫環境傳輸到南極相對溫暖的環境需要采用賽靈思Virtex-4 FPGA開發創新型數字頻分多路復用（DFMUX）解決方案。

SQUID具有高帶寬，因此在此應用中可以輕松利用頻分多路復用方案。這種多路復用方案允許共享SQUID，而且能夠盡可能降低負責冷卻焦平面傳感器陣列的低溫恒溫器中布線數量，同時又不降低各個輻射熱測量計的噪聲性能。DFMUX是由位于蒙特利爾的麥吉爾大學開發，其是負責操作南極望遠鏡的機構之一。其他機構還包括芝加哥大學、加州大學伯克利分校、凱斯西儲大學、哈佛/史密森天體物理觀測臺、科羅拉多大學波爾得分校、加州大學戴維斯分校、德國慕尼黑路德維希-馬克西米利安大學、阿貢國家實驗室和美國國家標準技術研究院（NIST）。

了解傳感器數據

SPTpol相機采用基于賽靈思Virtex-4 FPGA的第二代McGill DFMUX。FPGA能夠采用直接數字綜合（DDS）方法以數字方式綜合由12載頻組成的載波梳。載波梳通過單條線路進入焦平面低溫恒溫器并驅動一組（12個）TES輻射熱測量計。單獨的模擬LC濾波器能把這12個TES輻射熱測量計中每個測量計微調到窄頻帶。每個輻射熱測量計都會響應時變入射CMB輻射，其電阻在0.1Hz~20Hz頻率范圍波動。TES輻射熱測量計的不同電阻可以調節流經其中的載波電流。12個TES輻射熱測量計電流然后加在一起形成一個經過調制的“天空信號”。

另一個稱為“調零器”梳的DDS頻率梳驅動位于SQUID放大器輸入的求和節點。調零器梳的相位與幅度經過設置可以借助相消干擾抵消載波梳，從而只留下輻射熱測量計探測到的信號以及少量殘余載波功率。一個SQUID負責放大此信號，把它轉換成電壓，然后送回室溫電子器件由FPGA進行濾波、模數轉換和解調處理。圖3為系統方框圖。

圖3 – 用于測量CMB輻射、基于DFMUX的TES輻射熱測量計系統方框圖。

ADC的數字輸出直接進入Virtex-4 FPGA進行解調。解調方案與用于GSM移動電話的數字上變頻/下變頻（DUC/DDC）算法相似，不過存在一些例外。首先，各個TES輻射熱測量計信道的帶寬非常窄 – 僅有數十個Hz級。其次，載波梳是由Virtex-4 FPGA 生成的綜合正弦載波構成。載波調制是在低溫恒溫器中的TES輻射熱測量計之內進行。

一個Virtex-4 FPGA可以處理SPTpol相機的一組（12個）輻射熱測量計多路復用中的4個測量計。DFMUX設計采用Virtex-4 FPGA的片上邏輯、存儲器和DSP功能實現數字頻率綜合、解調（下變頻、濾波和抽?。?、時戳與緩沖。由于是采用一個FPGA同時生成載頻梳和調零器頻率梳以及解調天空信號，因此所有信號全部同步運行。梳生成與解調不可能出現相互偏移，因為它們來自FPGA中的相同主時鐘。所以，時鐘抖動并非嚴重噪聲源，通過測量可以證明。

充分發揮功能的FPGA

FPGA中實現兩個主要模塊：數字多頻綜合器（DMFS）和數字多頻解調器（DMFD）。系統設計采用兩個相同的DMFS模塊進行頻率綜合。一個模塊生成載頻梳，另一個生成調零信號。頻率綜合器以20MHz頻率運行，采用16位運行速率為25Msps的DAC。綜合器是基于采用賽靈思DDS編譯器創建的11位2補碼直接數字綜合器。每信道頻率分辨率為0.006Hz。

天空信號的解調從數字下變頻開始。收到的信號與基準波形混合在一起生成單獨基帶信號?；鶞什ㄐ蔚念l率與相位相互獨立。調制后的天空信號已經以25Msps的采樣率進行了14位分辨率采樣，不過目標帶寬遠低于此采樣速率的尼奎斯特帶寬。因此，調制后的基帶信號流經采用FPGA中的加法器與累加器構成的級聯積分器梳（CIC）抽取濾波器。第一級CIC濾波器以28位精度、按128系數抽取基帶信號。此濾波器的輸出然后被截取到17位。

DFMUX把8個輻射熱測量計信道（25Msps）時域多路復用到以200MHz運行的CIC1。CIC1濾波器內部具有28位數據寬度和24位輸出。在完成CIC1濾波之后，所有輻射熱測量計信道都多路復用在一起，并饋送單個CIC2，CIC2有6個可變抽取率（16、32、64、128、256 和512）。CIC2之后是一個152抽頭FIR濾波器。

信道標識符和時戳被添加到FIR濾波器的輸出，然后被發送到具有一個輪流緩沖列表的雙端口緩沖存儲器。SDRAM的大緩沖容量便于滿足基于FPGA的Micro- Blaze?軟處理器的時延要求，后者運行Linux并負責監控系統中的數據流。降低的時延允許激活處理器的MMU和顯著改善Linux OS運行。

采用運行在MicroBlaze 處理器上的兩臺Web服務器并通過HTTP接口連接以太網可以對DFMUX開發板進行外部控制?？刂艱FMUX開發板只需一個Web瀏覽器。Python腳本環境提供對板級控制寄存器的直接存取，以完成更詳細的任務，如：儀器微調。

針對DFMUX的未來工作

SPTpol相機是多個探索CMB輻射的實驗儀器之一。該相機所使用的相同DFMUX開發板也是EBEX氣球運載“E與B試驗儀器”以及在智利詹姆斯?艾克天文臺Huan Tran望遠鏡安裝的北極熊CMB偏振試驗儀器的組成部分?；谫愳`思Kintex-7 FPGA、稱為ICEboard的DFMUX開發板更高版本已經開始部署到新的CMB試驗裝置和加拿大氫強度映射實驗（CHIME）的射電望遠鏡。

CHIME是位于英屬哥倫比亞彭帶克頓附近偏僻山谷中的一臺新式射電望遠鏡。此望遠鏡由5個大型100?20米半柱體反射器（大小和形狀與半管式滑道相當）組成，在各個半柱體的焦點位置安裝有無線電接收器陣列。這里無任何活動部件（地球除外）。完工后CHIME將能夠隨著地球轉動每天測量一半以上天空。

但是，CHIME并非用于研究CMB。其旨在尋找暗能量證據 – 通過調查70~110億光年距離內大規模3D天域中的21厘米（400~800MHz）射電輻射。CHIME將測量“重子聲學振蕩”（BAO），其是氫氣構成的龐大天體中的周期性密度變化。BAO物質聚集能夠為天文學家提供大約4.9億光年的“標準量尺”，可用于測量廣大的距離。BAO信號波動有可能證明是暗能量作用跡象，至少存在一線希望。

CHIME實際上是一臺相位陣列射電望遠鏡。它可以綜合圖像，方法是記錄固定天線陣列的電磁信號，然后采用2D關聯和干涉測量法根據相關數據重建天空。CHIME需要采用160個互連的Kintex-7 FPGA處理以數Tbps的速度接收的BAO信號數據。

超光速

宇宙暴脹理論認為宇宙在大爆炸10-35 秒后經歷了一次劇烈膨脹 – 超過光速的物理膨脹。如果認為光速是速度極限 – 而我們大多數都是如此認為，則很難接受這一觀點。大爆炸理論有一部分認為暴脹除了CMB之外還留下一個宇宙引力波背景輻射（CGB），而且CGB在CMB中打上偏振印記。BECEP2試驗結果首次證實此理論。

來自SPTpol相機、EBEX、北極熊、凱克陣列和BICEP3試驗的其他結果有望加強上述發現。對其而言，CHIME在開始暗能量搜索之后會進一步擴展我們的宇宙知識探索范圍。