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打开北天窗口听“宇宙初啼”

来源:http://www.xgbkjyxgs.com 作者:上海11选5科技 人气:137 发布时间:2019-09-26
摘要:12月13日,中国科学院高能物理研究所牵头、国内多家科研单位参与的中美合作项目“阿里原初引力波探测实验”正式启动——在海拔5250米的高度,一座世界上最先进的、用于探测原初

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12月13日,中国科学院高能物理研究所牵头、国内多家科研单位参与的中美合作项目“阿里原初引力波探测实验”正式启动——在海拔5250米的高度,一座世界上最先进的、用于探测原初引力波的望远镜将于5年内建成并开始观测。阿里计划首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员张新民介绍:“阿里计划包括阿里一号、二号的研制与相关的科学研究,以及与美方合作,参加南极观测实验。通过阿里计划的实施,将我国原初引力波探测实验带入国际前沿。”香港大学教授苏萌认为:“西藏阿里是地球上迄今为止唯一一个可以实现北天区原初引力波观测的地点。未来,它将与南极观测站、智利观测站一道,成为三大观测原初引力波的世界级台址。”

一条简易公路已经通向海拔5250米的阿里1号原初引力波望远镜台址。

原初引力波——隐藏宇宙起源的奥秘

为寻找“宇宙初啼”,12月13日中国科学家正式启动了“阿里项目”。在未来三到五年里,它将在我国西藏阿里海拔5200米以上的地区,建立起世界上最大规模的宇宙微波背景辐射探测器阵列,为引力波家族努力发现新成员的踪影。建成后,“阿里项目”将打开探测原初引力波的北天窗口,最终与目前南极、智利的观测窗口一起,组成全球探测网。

中国科学技术大学教授蔡一夫说:“原初引力波,顾名思义,就是宇宙原初时期产生的引力波。”科学家们发现,引力波极其微弱,只有在类似黑洞合并等天体物理起源事件和宇宙形成早期剧烈的量子涨落,才可能产生能够被探测到的引力波。

今年2月,人类首次发现了引力波,从此开启了天文学的引力波时代。“这只是引力波交响乐中的一个音符。”阿里项目首席科学家、中科院高能物理研究所研究员张新民说。其实,根据波长不同,宇宙中的引力波大致可以分成四类,首次发现的属于中高频率引力波,好似交响乐中的小提琴,而原初引力波则是交响乐中的大提琴———频率最低,无处不在,却最难探测。

原初引力波蕴含着宇宙起源的奥秘——比如宇宙究竟是不是大爆炸产生的?是不是有过急剧膨胀的暴胀时期?蔡一夫说:“探测原初引力波,有利于研究暴胀这样一个极高能标的早期宇宙动力学过程。同时,原初引力波通常起源于极早期宇宙时空的量子涨落,对其进行研究有助于推进人们对量子引力等基本物理问题的理解。”

在宇宙大爆炸之初,正反粒子被拉开,这种张力所形成的扰动,成为原初引力波。原初引力波的频率很低,最低的只有亿亿分之一赫兹,它的波长跟整个宇宙的尺度差不多,所以只能通过对宇宙大爆炸后遗留的光子场信号,即宇宙背景辐射的观测来寻找它。2014年3月,美国哈佛史密松天体物理中心宣称在南极观测到了原初引力波,但随后又发现出错了———要从杂乱无章的信号中找到宇宙大爆炸初期引力波留下的独特标记,的确太困难了。

建设望远镜只是探测原初引力波的第一步,之后依然面临很多困难。蔡一夫说:“我们实验测量的将是宇宙微波背景辐射,也就是CMB的偏振信号,原初引力波就藏在这里。但这些信号在138亿年的漫长历史当中会被各种天体因素所‘污染’,我们的一个重要科学任务就是从复杂的天图中抽丝剥茧,剔除可疑信号,提炼出原初引力波信号。”2014年,美国哈佛大学等领导的一个研究小组曾宣布测量到原初引力波,但因为无法排除银河系的辐射干扰,其结果没有被科学界承认。

不过,科学家总喜欢迎着困难而上。由于原初引力波太过微弱,必须选取“非常干净”的天区进行观测———根据大气透射率,全球共有四个区域最适合观测原初引力波:南半球两处分别是南极和智利的阿塔卡马沙漠,而北半球则在格陵兰岛和我国的西藏阿里。

阿里——北半球探测原初引力波的最佳地点

在阿里,国家天文台的阿里观测站已扎根十年。未来的引力波观测站,就在附近。如今,一条简易公路已通向选定的B1点,为今后的施工做准备。“B1点的海拔有5250米,我们正在研制阿里1号探测器,它建成后将是全球规模最大的原初引力波探测器阵列。”阿里项目常务副经理李虹介绍。他们聘请了斯坦福大学郭兆林教授作为科学顾问,共同研制探测器,“探测器研制成功后,还要进行科学调试、试运行,到正式收取数据,大约需要三到五年。”

CMB地面实验由于对观测环境要求苛刻,需要在极端干燥的高海拔地区开展,迄今为止地面探测装置集中在美国的南极极点科考站与智利天文台,而长期以来缺乏北半球相应的观测平台实现对CMB北天区的观测。我国西藏阿里地区具有北半球已知的最佳观测条件,同时近年来在国家政策的大力支持下,基础设施的建设得到极大改善,交通、电力、网络通信的迅速发展为在阿里地区高海拔台址开展CMB实验提供了可能。

当阿里1号开始正式运行,原初引力波的北半球观测窗口将正式开启。张新民说:“阿里和智利的阿塔卡马沙漠类似,都处于中纬度,扫过的天区面积比南极、格陵兰岛这样的高纬度地区要大很多。”北半球与南半球所能探测的宇宙区域是不同的,因此当北天窗口打开,科学家就能形成全天覆盖的观测网络,探测数据将可与南极的实验数据相互验证,还能够提高探测能力,开展多频段探测。

张新民说:“智利和南极的观测站都已经建成,对南半球可见天区进行了观测,但它们是无法观测北半球的可见天区的。”由于地理环境的限制,我国西藏与格陵兰岛是北半球两个可能的CMB观测台址,但格陵兰岛自然条件严酷,观测设施建设成本高昂,科学家们将目光对准了西藏阿里,“阿里计划建成后,将与南极、智利台址协同实现全天覆盖”。

阿里1号望远镜建成后,将成为世界上海拔最高的原初引力波观测站。而这仅仅是第一步。李虹介绍,待阿里1号开始观测后,项目团队将会继续研发灵敏度更高的阿里2号探测器,台址也将会选在海拔更高的地方,“大气越稀薄、水汽含量越少,干扰就越小,观测到原初引力波痕迹的可能性也就越大。”

阿里计划——完成LIGO等不能胜任的工作

张新民说,阿里项目将有力推动我国低温超导探测技术发展,同时通过中美合作,将在超导微波探测器、超低温制冷系统等方面,极大提高我国的技术水平,提升我国自主研发和探测能力。

2016年初,美国激光干涉引力波观测台宣布,发现了两个超大质量黑洞合并产生的引力波;我国刚刚建成的500米口径球面射电望远镜也能够探测引力波。那么为什么还要实施阿里计划?

(原载于《文汇报》 2016-12-14 07版)

苏萌解释,引力波的不同波段需要不同类型的探测方法才能实现,无法用一种探测方式实现引力波全波段探测。“从宇宙创生时期产生的原初引力波,会在CMB中产生特征性很强的偏振辐射,我们叫它B模式偏振。”无论是利用激光干涉仪探测引力波的LIGO,或是用射电波的FAST,都无法“胜任”这一工作。

探测原初引力波只能使用微波望远镜,它的外观和光学望远镜很相似。而阿里计划将首先在5250米建设一台在微波波段极其灵敏的“阿里一号”望远镜。

2017年将完成阿里一号的方案设计,5年内建成并产出第一批科学成果。在科学家们的规划中,阿里一号只是开始。阿里计划项目经理卢方军研究员介绍:“如果一切顺利,我们将在6000米处建设更加灵敏的望远镜阵列,叫阿里二号,希望能够拓展观测频段,提高观测精度。”

“阿里计划是中美合作项目。在阿里地区开展的CMB观测将采用中方主导,美方参与的模式。”张新民说:“除此之外,我们还将参与美方南极BICEP阵列项目,南北实验联合协同观测。”

阿里计划的开展不仅将提高我国在国际宇宙学、天文学、高能物理学界的地位和声望,还可以有力推动我国低温超导探测技术发展。张新民说:“通过中美合作,将极大提高我国在超导微波探测器,超低温制冷系统、探测器焦平面制备与检测等方面的技术水平。”

(原载于《光明日报》 2016-12-1704版)

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