提炼出原初引力波信号,全国政协委员、中国科

2019-11-04 作者:公司文化   |   浏览(50)

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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。”

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。

一台世界上海拔最高的引力波探测望远镜,即将在2020年开始对原初引力波的追寻。全国政协委员、中国科学院高能物理所研究员张新民3月7日告诉澎湃新闻,由他主持建设的西藏阿里原初引力波项目进展顺利,一期观测仓主体已基本完工,望远镜主体也由高能所和合作方美国斯坦福大学初步设计完成。

原初引力波——隐藏宇宙起源的奥秘

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。

“三年建成、五年出成果”是张新民给出的承诺,即在2021年到2022年左右,给出一个北天区宇宙微波背景辐射极化最好的天图。原初引力波的线索,就藏在这张天图里。

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。

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。”

“错过了引力波,我们不能再错过探测原初引力波的重要窗口。”张新民强调。

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。”

十年选址,观测站落户雪域高原

全国政协委员、中国科学院高能物理所研究员张新民

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。

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。

美国激光干涉引力波天文台在2016年2月11日宣布成功探测到由双黑洞并合产生的引力波,毫无悬念地捧走诺贝尔奖之后,宇宙暴胀时期诞生的原初引力波成为了下一个追逐的焦点。

阿里——北半球探测原初引力波的最佳地点

原初引力波的探测是以测量宇宙微波背景辐射光子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。

如果说引力波的发现,完成了爱因斯坦广义相对论的最后一块拼图,那么原初引力波作为“宇宙的初啼”,则能帮我们检验各种宇宙起源和演化模型,如暴胀、反弹、循环等。

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。

“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。

只是,无论在地面还是空间,中国的引力波探测项目均起步较晚:LIGO拥有40年的项目经验,欧洲的激光干涉引力波天文台Virgo也于去年开始与LIGO合作观测;欧美合作的空间引力波探测卫星LISA完成了原型机试飞;南极极点和智利阿塔卡玛沙漠建成的CMB观测站,已经积累多年的数据。

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”。

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。

中国还有拔得头筹的时间吗?具有独特地理优势的世界屋脊开辟了一个窗口。

阿里计划——完成LIGO等不能胜任的工作

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。”

要知道,不同的引力波源产生的引力波频段不同,最佳探测手段也不同。LIGO和Virgo借助地面激光干涉,不太可能探测到原初引力波;空间激光干涉卫星虽有一定的可能性,但LISA的发射时间被推迟到了2035年左右;而最适合探测原初引力波的CMB观测站,目前全部集中在南半球。

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?

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。

海拔5250米的西藏阿里大气透射率高,水汽含量少,环境清洁,能够很好地避免信号干扰。与同在北半球的格陵兰岛比起来,阿里处于中纬度地区,可见天区要大一倍。

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。

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。

2017年诺奖得主、LIGO引力波探测功勋索恩曾经预测,人类将在未来5至10年内探测到原初引力波。这意味着,如果这台北半球唯一、全球海拔最高的CMB观测望远镜如期建成,就能抓住历史时间窗。

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。

多方合作,探寻宇宙起源的秘密

从最高的望远镜到最深的实验室

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。”

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。

5250米的海拔在建成后是寻找原初引力波的重大优势,但在工程建设过程中却提出了不少挑战。张新民也坦言,阿里项目的总体经费仍有缺口。

“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。”

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。”

张新民由此在本次全国两会上建议加强引力波研究,确保阿里项目按期完成并早出成果。同时,他强调要加强国际合作,把阿里建设成为世界天文观测和高能物理实验的研究中心。这也是2017年诺奖得主雷纳·韦斯曾对阿里项目寄予的期望:“这会成为中国科学的典范,一个非常漂亮的典范。中国利用西藏这样一个独特的地理条件,建造一台国际共享的设备。全世界都应该知道中国在做这样的事。”

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。”

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。

原初引力波探测望远镜选址在海拔5250米的西藏阿里

(原载于《光明日报》 2016-12-1704版)

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。

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