探測原初引力波，中國來了

中國科學院高能物理所近日宣布阿裏原初引力波探測正式啟動。

原初引力波是宇宙開端的大爆炸產生的引力波,在宇宙誕生的最初的瞬間,宇宙中充滿稠密的物質,以致由粒子間的碰撞而產生的引力波被另一些粒子吸收了。在宇宙迅速擴張的暴脹階段,宇宙的密度突然下降,釋放出的引力波不再被吸收。所以,發現原初引力波被認為是對早期宇宙理論的檢驗。

阿裏項目首席科學家、中科院高能物理所研究員張新民在接受科技日報采訪時表示,阿裏即將建設的觀測站將是世界上第一個地處北半球的原初引力波觀測站,也是我國第一次啟動引力波探測實驗。他說:“項目組計劃用5年的時間,在西藏阿裏建成‘阿裏一號’望遠鏡並開始科學觀測。”

十年選址,觀測站落戶雪域高原

西藏阿裏地區位於青藏高原北部,有“世界屋脊的屋脊”之稱。由於海拔高、空氣稀薄,是世界上人口密度非常低的區域之一。但是對原初引力波觀測來說,它獨特的地理環境是極為合適的。

原初引力波的探測是以測量宇宙微波背景輻射(CMB)光子B模式偏振信號為主要手段,而CMB的地麵探測對地麵大氣環境要求苛刻,大氣中的水汽含量是一個重要的關注點。一方麵空氣中的水分子會吸收CMB光子,另一方麵水汽也會在微波波段產生輻射,對信號形成幹擾。

“大氣越稀薄、水汽含量越少,幹擾就越小,才越有希望看清原初引力波留下的痕跡”,阿裏項目的高級顧問、美國斯坦福大學研究員郭兆林說。

所以,探測原初引力波,尋找合適的觀測點至關重要。根據專家們的分析,全球隻有4個地方適合進行CMB探測:位於南半球的智利阿塔卡瑪沙漠、南極,以及位於北半球的格陵蘭島和我國西藏阿裏。

作為南極BICEP項目的負責人之一,郭兆林對原初引力波的探測經驗豐富。他表示,“阿裏觀測站地處海拔5000米以上的青藏高原地區,具有得天獨厚的地理環境優勢、觀測氣象條件與配套基礎設施。”

選中阿裏,天文學家在西部野外探勘了近十年,並於2010年啟動國家天文台阿裏觀測站的建設。張新民告訴科技日報,國家天文台阿裏觀測站是阿裏原初引力波探測實驗項目能迅速展開的重要依托。

2014年中國的科學家們開始規劃原初引力波觀測計劃,時隔兩年多之後這一計劃終於得到落實,現在阿裏項目已申請科研經費1.3億元人民幣,計劃建成世界上最靈敏的原初引力波探測實驗,並在宇宙誕生與演化、暗物質、暗能量等其他科學研究中獲取新進展。

多方合作,探尋宇宙起源的秘密

在阿裏項目啟動儀式現場,中科院高能物理所所長王貽芳表示,我國從上世紀80年代開始進行引力波的研究,但受各種條件的局限,僅限理論研究,而現在國家啟動原初引力波探測,這是一個特別好的機遇和挑戰。

此次,阿裏項目采用國際合作項目。張新民表示,“阿裏項目由中方主導,美方參與。中美合作不是競爭,而是互補共贏。”

郭兆林參與的南極BICEP項目是目前國際上研究和探測原初引力波的領先者。在未來阿裏項目的建設過程中,兩個項目將會有諸多合作。

郭兆林表示,阿裏項目集合了天時、地利、人和的優勢。阿裏項目建成後,將與南極極點觀測站、智利阿塔卡瑪沙漠觀測站一起,成為國際原初引力波探測的三大基地,成為南北互補的國際上最靈敏的探測站之一。

在國內,阿裏項目同樣聚集了雄厚的科研實力。據悉,這一項目將由高能物理所牽頭,諸多國內科研機構、高等院校參與其中。

中國科學技術大學、華中師範大學負責開展宇宙起源、演化理論研究及原初引力波模式偏振的統計分析,高能物理所、清華大學、北京大學負責原初引力波偏振數據模擬、處理與科學分析,上海交通大學、北京師範大學、國家天文台負責北半球銀河係前景輻射研究。高能物理所、上海微係統所、紫金山天文台、南京天文光學技術所負責探測器、基座等核心技術問題的研究;國家天文台、高能物理所、西藏大學負責台址觀測環境科學研究等。

阿裏、天琴、太極齊上陣,中國“很認真”

2016年3月公布的我國“十三五”規劃綱要中列入了“強化宇宙演化、物質結構、生命起源、腦與認知等基礎前沿科學研究”,從國家科技發展的戰略高度肯定了宇宙演化等基礎前沿科學的重要性。

從1916年愛因斯坦在廣義相對論中預言引力波的存在以來,無數科學家和科研機構前仆後繼地研究和觀測引力波,通過各種科學實驗設法捕捉引力波的蹤跡。去年2月11日,LIGO 實驗組和美國自然科學基金委員會聯合宣布探測到來自於13億年前由兩個黑洞並合產生的引力波,這是人類第一次直接探測到引力波,掀起了國際社會的引力波熱潮。

幾乎同一時間,國內相關研究也陸續走入人們的視線。“阿裏計劃”“天琴計劃”“太極計劃”,代表著我國在引力波不同分類領域即將做出的努力。

不同天體源產生不同頻段引力波。張新民用宇宙交響樂來比喻這些不同的頻率、他說,就好像交響樂中分低音、中音、中高音和高音。針對不同頻率,科學家采取了不同的探測手段,科學目標也不盡相同。

阿裏原初引力波探測的是最低頻的原初引力波。除此之外,由中國科學院院士胡文瑞擔任首席科學家的“太極計劃”,由中山大學牽頭,中山大學校長、中科院院士羅俊提出的“天琴計劃”,都是中頻引力波相關的研究。

其中,“太極計劃”的設想之一是在2030年前後發射三顆衛星組成的引力波探測星組,用激光幹涉方法進行中低頻波段引力波的直接探測,目標是觀測雙黑洞並合和極大質量比天體並合時產生的引力波輻射,以及其他的宇宙引力波輻射過程。

據“天琴計劃”的提出者、中山大學校長、中科院院士羅俊介紹,天琴的三顆衛星將在圍繞地球約10萬公裏的軌道高度上,形成一個正三角形。天琴將以探測雙白矮星係統的引力波作為階段性目標。

此外,為實施這一探測,科研人員研製的新一代激光測距反射器,將搭載到2018年發射的嫦娥四號中繼衛星上,開展激光測距實驗。

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原初引力波

原初引力波是愛因斯坦於1916年發表的廣義相對論中提出的,它是宇宙誕生之初產生的一種時空波動,隨著宇宙的演化而被削弱。科學家稱原初引力波為創世紀大爆炸的“餘響”。探測原初引力波是宇宙創生(如暴脹,反彈)理論的最直接檢驗。

宇宙微波背景輻射

宇宙微波背景輻射是原初引力波的最佳探測方式。

微波背景輻射是由彌漫在宇宙空間中的微波背景光子形成的,計算表明,原初引力波作用到微波背景光子,會產生一種叫做B模式的特殊偏振模式,其他形式的擾動,都產生不了這種B模式偏振,因此B模式偏振成為原初引力波的“獨特印記”。

BICEP

BICEP被認為是探測原初引力波方麵最前沿的。LIGO尋找的引力波源於現在宇宙中頻繁發生的天體事件,BICEP不是直接探測引力波而是通過研究原初引力波對微波背景輻射造成的影響來間接探測引力波。

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時空漣漪的宇宙交響曲

宇宙樂章的低音

探測目標是原初引力波。它的波長跟整個宇宙的尺度差不多大,所以隻能通過對宇宙大爆炸後遺留的光子場信號。2014年3月,美國哈佛史密森天體物理中心宣稱在南極觀測到了原初引力波,但隨後又發現出錯了。探測計劃主要包括南極BICEP、西藏阿裏觀測項目。

宇宙樂章的中音

探測目標是超大質量黑洞並合時發出的引力波,對應頻率在百萬分之一到億分之一赫茲。主要探測計劃是FAST、SKA等。

這種事件往往發生在星係與星係相撞的後期,星係中心數百萬到數億太陽質量的巨大黑洞在最後階段的撞擊並合發出浩瀚的引力波信號。

宇宙樂章的中高音

探測目標是由銀河係內的白矮雙星係統,質量略小的大質量黑洞並合產生的引力波,對應頻率為十萬分之一到一赫茲。探測計劃有LISA、太極、天琴等。

宇宙樂章的高音

探測目標是中子星、恒星級黑洞等致密天體組成的雙星係統,產生的引力波頻率在幾十到幾千赫茲。去年2月11日,科學家首次利用LIGO探測器探測到引力波的存在。從此打開了一扇人類探索宇宙的新窗口。

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