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阿里计划:从原初引力波中探寻宇宙起源

发布时间: 2016-12-21 20:20:48   作者:记者 齐芳   来源: 光明日报   浏览次数:   我要评论()
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...
  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”(简称“阿里计划”)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。”

  原初引力波——隐藏宇宙起源的奥秘

  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。

  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。”

 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。

  阿里——北半球探测原初引力波的最佳地点

 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。

 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”。

  阿里计划——完成LIGO等不能胜任的工作

  2016年初,美国激光干涉引力波观测台(LIGO)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(FAST)也能够探测引力波。那么为什么还要实施阿里计划?

  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。”

  

 

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