中國科學(xué)院高能物理所近日宣布阿里原初引力波探測(cè)正式啟動(dòng)。
原初引力波是宇宙開端的大爆炸產(chǎn)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(zhì),以致由粒子間的碰撞而產(chǎn)生的引力波被另一些粒子吸收了。在宇宙迅速擴(kuò)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(fā)現(xiàn)原初引力波被認(rèn)為是對(duì)早期宇宙理論的檢驗(yàn)。
阿里項(xiàng)目首席科學(xué)家、中科院高能物理所研究員張新民在接受科技日?qǐng)?bào)采訪時(shí)表示,阿里即將建設(shè)的觀測(cè)站將是世界上第一個(gè)地處北半球的原初引力波觀測(cè)站,也是我國第一次啟動(dòng)引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)。他說:“項(xiàng)目組計(jì)劃用5年的時(shí)間,在西藏阿里建成‘阿里一號(hào)’望遠(yuǎn)鏡并開始科學(xué)觀測(cè)。”
十年選址,觀測(cè)站落戶雪域高原
西藏阿里地區(qū)位于青藏高原北部,有“世界屋脊的屋脊”之稱。由于海拔高、空氣稀薄,是世界上人口密度非常低的區(qū)域之一。但是對(duì)原初引力波觀測(cè)來說,它獨(dú)特的地理環(huán)境是極為合適的。
原初引力波的探測(cè)是以測(cè)量宇宙微波背景輻射(CMB)光子B模式偏振信號(hào)為主要手段,而CMB的地面探測(cè)對(duì)地面大氣環(huán)境要求苛刻,大氣中的水汽含量是一個(gè)重要的關(guān)注點(diǎn)。一方面空氣中的水分子會(huì)吸收CMB光子,另一方面水汽也會(huì)在微波波段產(chǎn)生輻射,對(duì)信號(hào)形成干擾。
“大氣越稀薄、水汽含量越少,干擾就越小,才越有希望看清原初引力波留下的痕跡”,阿里項(xiàng)目的高級(jí)顧問、美國斯坦福大學(xué)研究員郭兆林說。
所以,探測(cè)原初引力波,尋找合適的觀測(cè)點(diǎn)至關(guān)重要。根據(jù)專家們的分析,全球只有4個(gè)地方適合進(jìn)行CMB探測(cè):位于南半球的智利阿塔卡瑪沙漠、南極,以及位于北半球的格陵蘭島和我國西藏阿里。
作為南極BICEP項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人之一,郭兆林對(duì)原初引力波的探測(cè)經(jīng)驗(yàn)豐富。他表示,“阿里觀測(cè)站地處海拔5000米以上的青藏高原地區(qū),具有得天獨(dú)厚的地理環(huán)境優(yōu)勢(shì)、觀測(cè)氣象條件與配套基礎(chǔ)設(shè)施。”
選中阿里,天文學(xué)家在西部野外探勘了近十年,并于2010年啟動(dòng)國家天文臺(tái)阿里觀測(cè)站的建設(shè)。張新民告訴科技日?qǐng)?bào),國家天文臺(tái)阿里觀測(cè)站是阿里原初引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能迅速展開的重要依托。
2014年中國的科學(xué)家們開始規(guī)劃原初引力波觀測(cè)計(jì)劃,時(shí)隔兩年多之后這一計(jì)劃終于得到落實(shí),現(xiàn)在阿里項(xiàng)目已申請(qǐng)科研經(jīng)費(fèi)1.3億元人民幣,計(jì)劃建成世界上最靈敏的原初引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn),并在宇宙誕生與演化、暗物質(zhì)、暗能量等其他科學(xué)研究中獲取新進(jìn)展。
多方合作,探尋宇宙起源的秘密
在阿里項(xiàng)目啟動(dòng)儀式現(xiàn)場(chǎng),中科院高能物理所所長(zhǎng)王貽芳表示,我國從上世紀(jì)80年代開始進(jìn)行引力波的研究,但受各種條件的局限,僅限理論研究,而現(xiàn)在國家啟動(dòng)原初引力波探測(cè),這是一個(gè)特別好的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
此次,阿里項(xiàng)目采用國際合作項(xiàng)目。張新民表示,“阿里項(xiàng)目由中方主導(dǎo),美方參與。中美合作不是競(jìng)爭(zhēng),而是互補(bǔ)共贏。”
郭兆林參與的南極BICEP項(xiàng)目是目前國際上研究和探測(cè)原初引力波的領(lǐng)先者。在未來阿里項(xiàng)目的建設(shè)過程中,兩個(gè)項(xiàng)目將會(huì)有諸多合作。
郭兆林表示,阿里項(xiàng)目集合了天時(shí)、地利、人和的優(yōu)勢(shì)。阿里項(xiàng)目建成后,將與南極極點(diǎn)觀測(cè)站、智利阿塔卡瑪沙漠觀測(cè)站一起,成為國際原初引力波探測(cè)的三大基地,成為南北互補(bǔ)的國際上最靈敏的探測(cè)站之一。
在國內(nèi),阿里項(xiàng)目同樣聚集了雄厚的科研實(shí)力。據(jù)悉,這一項(xiàng)目將由高能物理所牽頭,諸多國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)、高等院校參與其中。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、華中師范大學(xué)負(fù)責(zé)開展宇宙起源、演化理論研究及原初引力波模式偏振的統(tǒng)計(jì)分析,高能物理所、清華大學(xué)、北京大學(xué)負(fù)責(zé)原初引力波偏振數(shù)據(jù)模擬、處理與科學(xué)分析,上海交通大學(xué)、北京師范大學(xué)、國家天文臺(tái)負(fù)責(zé)北半球銀河系前景輻射研究。高能物理所、上海微系統(tǒng)所、紫金山天文臺(tái)、南京天文光學(xué)技術(shù)所負(fù)責(zé)探測(cè)器、基座等核心技術(shù)問題的研究;國家天文臺(tái)、高能物理所、西藏大學(xué)負(fù)責(zé)臺(tái)址觀測(cè)環(huán)境科學(xué)研究等。
阿里、天琴、太極齊上陣,中國“很認(rèn)真”
2016年3月公布的我國“十三五”規(guī)劃綱要中列入了“強(qiáng)化宇宙演化、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、生命起源、腦與認(rèn)知等基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究”,從國家科技發(fā)展的戰(zhàn)略高度肯定了宇宙演化等基礎(chǔ)前沿科學(xué)的重要性。
從1916年愛因斯坦在廣義相對(duì)論中預(yù)言引力波的存在以來,無數(shù)科學(xué)家和科研機(jī)構(gòu)前仆后繼地研究和觀測(cè)引力波,通過各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)法捕捉引力波的蹤跡。去年2月11日,LIGO 實(shí)驗(yàn)組和美國自然科學(xué)基金委員會(huì)聯(lián)合宣布探測(cè)到來自于13億年前由兩個(gè)黑洞并合產(chǎn)生的引力波,這是人類第一次直接探測(cè)到引力波,掀起了國際社會(huì)的引力波熱潮。
幾乎同一時(shí)間,國內(nèi)相關(guān)研究也陸續(xù)走入人們的視線。“阿里計(jì)劃”“天琴計(jì)劃”“太極計(jì)劃”,代表著我國在引力波不同分類領(lǐng)域即將做出的努力。
不同天體源產(chǎn)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(duì)不同頻率,科學(xué)家采取了不同的探測(cè)手段,科學(xué)目標(biāo)也不盡相同。
阿里原初引力波探測(cè)的是最低頻的原初引力波。除此之外,由中國科學(xué)院院士胡文瑞擔(dān)任首席科學(xué)家的“太極計(jì)劃”,由中山大學(xué)牽頭,中山大學(xué)校長(zhǎng)、中科院院士羅俊提出的“天琴計(jì)劃”,都是中頻引力波相關(guān)的研究。
其中,“太極計(jì)劃”的設(shè)想之一是在2030年前后發(fā)射三顆衛(wèi)星組成的引力波探測(cè)星組,用激光干涉方法進(jìn)行中低頻波段引力波的直接探測(cè),目標(biāo)是觀測(cè)雙黑洞并合和極大質(zhì)量比天體并合時(shí)產(chǎn)生的引力波輻射,以及其他的宇宙引力波輻射過程。
據(jù)“天琴計(jì)劃”的提出者、中山大學(xué)校長(zhǎng)、中科院院士羅俊介紹,天琴的三顆衛(wèi)星將在圍繞地球約10萬公里的軌道高度上,形成一個(gè)正三角形。天琴將以探測(cè)雙白矮星系統(tǒng)的引力波作為階段性目標(biāo)。
此外,為實(shí)施這一探測(cè),科研人員研制的新一代激光測(cè)距反射器,將搭載到2018年發(fā)射的嫦娥四號(hào)中繼衛(wèi)星上,開展激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)。
名詞點(diǎn)擊
原初引力波
原初引力波是愛因斯坦于1916年發(fā)表的廣義相對(duì)論中提出的,它是宇宙誕生之初產(chǎn)生的一種時(shí)空波動(dòng),隨著宇宙的演化而被削弱?？茖W(xué)家稱原初引力波為創(chuàng)世紀(jì)大爆炸的“余響”。探測(cè)原初引力波是宇宙創(chuàng)生(如暴脹,反彈)理論的最直接檢驗(yàn)。
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(cè)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(jì)算表明,原初引力波作用到微波背景光子,會(huì)產(chǎn)生一種叫做B模式的特殊偏振模式,其他形式的擾動(dòng),都產(chǎn)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(dú)特印記”。
BICEP
BICEP被認(rèn)為是探測(cè)原初引力波方面最前沿的。LIGO尋找的引力波源于現(xiàn)在宇宙中頻繁發(fā)生的天體事件,BICEP不是直接探測(cè)引力波而是通過研究原初引力波對(duì)微波背景輻射造成的影響來間接探測(cè)引力波。
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時(shí)空漣漪的宇宙交響曲
宇宙樂章的低音
探測(cè)目標(biāo)是原初引力波。它的波長(zhǎng)跟整個(gè)宇宙的尺度差不多大,所以只能通過對(duì)宇宙大爆炸后遺留的光子場(chǎng)信號(hào)。2014年3月,美國哈佛史密森天體物理中心宣稱在南極觀測(cè)到了原初引力波,但隨后又發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)了。探測(cè)計(jì)劃主要包括南極BICEP、西藏阿里觀測(cè)項(xiàng)目。
宇宙樂章的中音
探測(cè)目標(biāo)是超大質(zhì)量黑洞并合時(shí)發(fā)出的引力波,對(duì)應(yīng)頻率在百萬分之一到億分之一赫茲。主要探測(cè)計(jì)劃是FAST、SKA等。
這種事件往往發(fā)生在星系與星系相撞的后期,星系中心數(shù)百萬到數(shù)億太陽質(zhì)量的巨大黑洞在最后階段的撞擊并合發(fā)出浩瀚的引力波信號(hào)。
宇宙樂章的中高音
探測(cè)目標(biāo)是由銀河系內(nèi)的白矮雙星系統(tǒng),質(zhì)量略小的大質(zhì)量黑洞并合產(chǎn)生的引力波,對(duì)應(yīng)頻率為十萬分之一到一赫茲。探測(cè)計(jì)劃有LISA、太極、天琴等。
宇宙樂章的高音
探測(cè)目標(biāo)是中子星、恒星級(jí)黑洞等致密天體組成的雙星系統(tǒng),產(chǎn)生的引力波頻率在幾十到幾千赫茲。去年2月11日,科學(xué)家首次利用LIGO探測(cè)器探測(cè)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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