探测原初引力波，中国来了

中国科学院高能物理所近日宣布阿里原初引力波探测正式启动。

原初引力波是宇宙开端的大爆炸产生的引力波,在宇宙诞生的最初的瞬间,宇宙中充满稠密的物质,以致由粒子间的碰撞而产生的引力波被另一些粒子吸收了。在宇宙迅速扩张的暴胀阶段,宇宙的密度突然下降,释放出的引力波不再被吸收。所以,发现原初引力波被认为是对早期宇宙理论的检验。

阿里项目首席科学家、中科院高能物理所研究员张新民在接受科技日报采访时表示,阿里即将建设的观测站将是世界上第一个地处北半球的原初引力波观测站,也是我国第一次启动引力波探测实验。他说:“项目组计划用5年的时间,在西藏阿里建成‘阿里一号’望远镜并开始科学观测。”

十年选址,观测站落户雪域高原

西藏阿里地区位于青藏高原北部,有“世界屋脊的屋脊”之称。由于海拔高、空气稀薄,是世界上人口密度非常低的区域之一。但是对原初引力波观测来说,它独特的地理环境是极为合适的。

原初引力波的探测是以测量宇宙微波背景辐射(CMB)光子B模式偏振信号为主要手段,而CMB的地面探测对地面大气环境要求苛刻,大气中的水汽含量是一个重要的关注点。一方面空气中的水分子会吸收CMB光子,另一方面水汽也会在微波波段产生辐射,对信号形成干扰。

“大气越稀薄、水汽含量越少,干扰就越小,才越有希望看清原初引力波留下的痕迹”,阿里项目的高级顾问、美国斯坦福大学研究员郭兆林说。

所以,探测原初引力波,寻找合适的观测点至关重要。根据专家们的分析,全球只有4个地方适合进行CMB探测:位于南半球的智利阿塔卡玛沙漠、南极,以及位于北半球的格陵兰岛和我国西藏阿里。

作为南极BICEP项目的负责人之一,郭兆林对原初引力波的探测经验丰富。他表示,“阿里观测站地处海拔5000米以上的青藏高原地区,具有得天独厚的地理环境优势、观测气象条件与配套基础设施。”

选中阿里,天文学家在西部野外探勘了近十年,并于2010年启动国家天文台阿里观测站的建设。张新民告诉科技日报,国家天文台阿里观测站是阿里原初引力波探测实验项目能迅速展开的重要依托。

2014年中国的科学家们开始规划原初引力波观测计划,时隔两年多之后这一计划终于得到落实,现在阿里项目已申请科研经费1.3亿元人民币,计划建成世界上最灵敏的原初引力波探测实验,并在宇宙诞生与演化、暗物质、暗能量等其他科学研究中获取新进展。

多方合作,探寻宇宙起源的秘密

在阿里项目启动仪式现场,中科院高能物理所所长王贻芳表示,我国从上世纪80年代开始进行引力波的研究,但受各种条件的局限,仅限理论研究,而现在国家启动原初引力波探测,这是一个特别好的机遇和挑战。

此次,阿里项目采用国际合作项目。张新民表示,“阿里项目由中方主导,美方参与。中美合作不是竞争,而是互补共赢。”

郭兆林参与的南极BICEP项目是目前国际上研究和探测原初引力波的领先者。在未来阿里项目的建设过程中,两个项目将会有诸多合作。

郭兆林表示,阿里项目集合了天时、地利、人和的优势。阿里项目建成后,将与南极极点观测站、智利阿塔卡玛沙漠观测站一起,成为国际原初引力波探测的三大基地,成为南北互补的国际上最灵敏的探测站之一。

在国内,阿里项目同样聚集了雄厚的科研实力。据悉,这一项目将由高能物理所牵头,诸多国内科研机构、高等院校参与其中。

中国科学技术大学、华中师范大学负责开展宇宙起源、演化理论研究及原初引力波模式偏振的统计分析,高能物理所、清华大学、北京大学负责原初引力波偏振数据模拟、处理与科学分析,上海交通大学、北京师范大学、国家天文台负责北半球银河系前景辐射研究。高能物理所、上海微系统所、紫金山天文台、南京天文光学技术所负责探测器、基座等核心技术问题的研究;国家天文台、高能物理所、西藏大学负责台址观测环境科学研究等。

阿里、天琴、太极齐上阵,中国“很认真”

2016年3月公布的我国“十三五”规划纲要中列入了“强化宇宙演化、物质结构、生命起源、脑与认知等基础前沿科学研究”,从国家科技发展的战略高度肯定了宇宙演化等基础前沿科学的重要性。

从1916年爱因斯坦在广义相对论中预言引力波的存在以来,无数科学家和科研机构前仆后继地研究和观测引力波,通过各种科学实验设法捕捉引力波的踪迹。去年2月11日,LIGO 实验组和美国自然科学基金委员会联合宣布探测到来自于13亿年前由两个黑洞并合产生的引力波,这是人类第一次直接探测到引力波,掀起了国际社会的引力波热潮。

几乎同一时间,国内相关研究也陆续走入人们的视线。“阿里计划”“天琴计划”“太极计划”,代表着我国在引力波不同分类领域即将做出的努力。

不同天体源产生不同频段引力波。张新民用宇宙交响乐来比喻这些不同的频率、他说,就好像交响乐中分低音、中音、中高音和高音。针对不同频率,科学家采取了不同的探测手段,科学目标也不尽相同。

阿里原初引力波探测的是最低频的原初引力波。除此之外,由中国科学院院士胡文瑞担任首席科学家的“太极计划”,由中山大学牵头,中山大学校长、中科院院士罗俊提出的“天琴计划”,都是中频引力波相关的研究。

其中,“太极计划”的设想之一是在2030年前后发射三颗卫星组成的引力波探测星组,用激光干涉方法进行中低频波段引力波的直接探测,目标是观测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射,以及其他的宇宙引力波辐射过程。

据“天琴计划”的提出者、中山大学校长、中科院院士罗俊介绍,天琴的三颗卫星将在围绕地球约10万公里的轨道高度上,形成一个正三角形。天琴将以探测双白矮星系统的引力波作为阶段性目标。

此外,为实施这一探测,科研人员研制的新一代激光测距反射器,将搭载到2018年发射的嫦娥四号中继卫星上,开展激光测距实验。

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原初引力波

原初引力波是爱因斯坦于1916年发表的广义相对论中提出的,它是宇宙诞生之初产生的一种时空波动,随着宇宙的演化而被削弱。科学家称原初引力波为创世纪大爆炸的“余响”。探测原初引力波是宇宙创生(如暴胀,反弹)理论的最直接检验。

宇宙微波背景辐射

宇宙微波背景辐射是原初引力波的最佳探测方式。

微波背景辐射是由弥漫在宇宙空间中的微波背景光子形成的,计算表明,原初引力波作用到微波背景光子,会产生一种叫做B模式的特殊偏振模式,其他形式的扰动,都产生不了这种B模式偏振,因此B模式偏振成为原初引力波的“独特印记”。