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李虹:阿里计划:探测宇宙最初的涟漪

2019-12-10 中国科学报
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爱乐透彩票  今年的诺贝尔物理学奖颁给了天体物理领域,其中一位获奖者詹姆斯·皮布尔斯在宇宙学领域做出了许多开创性工作,在宇宙微波背景辐射和宇宙结构形成方面有非常大的贡献。

  笔者这篇文章的主角也将在这一领域发挥它的优势。阿里原初引力波探测计划(简称阿里计划)是我国第一个地面原初引力波探测实验,将建设一台国际一流的宇宙微波背景辐射(简称CMB)偏振望远镜,在我国西藏阿里地区海拔5250米的台址上开展对原初引力波的精确测量,探索宇宙起源。

  什么是原初引力波

爱乐透彩票  当代宇宙学认为宇宙始于暴胀,广义相对论预言,暴胀过程中时空剧烈的膨胀将产生原初引力波,其物理本质是暴胀过程中时空本身的量子涨落。

爱乐透彩票  暴胀预言的原初扰动为高斯随机场,分布于整个宇宙当中,并不局限在某个特殊的领域,因此,原初引力波是一类背景引力波。经过近137亿年的演化,它的主要频段分布在阿赫兹到飞赫兹,属于引力波家族中频率最低的一类。它完全不同于美国LIGO(激光干涉引力波天文台)实验组探测到的来自黑洞、中子星并合产生的高频引力波。

  原初引力波是检验暴胀及其他候选早期宇宙论,如反弹、循环等模型,探索宇宙起源的唯一有效途径,被誉为当代宇宙学的“圣杯”。国际上,原初引力波至今未被观测到,是宇宙学一大热点前沿。

  原初引力波的探测

  由于原初引力波的存在,将影响光子在最后散射面上的分布,从而会在CMB上留下特殊的印记——原初B模式偏振,因此,对CMB B模式偏振的精确测量为探测原初引力波提供了有效途径。

  微波实验可以通过空间卫星、高空气球及地面微波望远镜开展观测。自1965年微波背景被发现以来,已经先后有三代空间卫星给出了精确测量,气球实验于本世纪初最先提供了大尺度上对CMB功率谱的高信噪比测量,并给出平坦宇宙的测量结果。之后的普朗克卫星对温度功率谱作了更为精确的测量。

爱乐透彩票  对CMB偏振的精确测量,从而探测原初引力波是该研究领域下一个重要核心科学目标。然而,在普朗克卫星之后,目前尚未有立项的空间CMB卫星项目。而地面CMB观测,以其精度高、建设周期短、成本较低,风险小等优势将成为近期研究的主要手段。

  地面CMB探测实验已经给出对微波光子偏振的精确测量。现在有一些正在开展观测的CMB实验。也有一些正在建设的天文台,均分布在南半球的南极极点和智利的阿塔卡马沙漠台址。我国的阿里原初引力波探测计划的主要科学目标聚焦于原初引力波以及检验CPT对称性。

  引力波探测对环境要求苛刻

  地面CMB探测对台址观测环境要求苛刻,需要极高的大气透射率。大气中所含水汽是CMB 偏振观测的主要噪声来源,水汽不仅吸收CMB 光子,而且在CMB 观测的微波频段产生大量噪声辐射。海拔高、大气干燥是对CMB观测台址的基本要求。

  基于全球大气模型及气象数据分析结果显示,地球上可以开展CMB观测的台址包括南半球的南极、智利的阿塔卡马,和位于北半球的我国青藏高原以及格陵兰岛。目前,已经完成或正在运行的以探索原初引力波为主要科学目标的地面CMB偏振实验都位于南半球的南极或智利,无法覆盖北半球天区。

  我国青藏高原位于冈底斯山脉西部、喜马拉雅山脉东侧背风面,冬季尤其干燥。阿里地区地域辽阔、地貌丰富,广袤的山脊为开展微波探测提供了理想的观测条件。利用NASA气象卫星数据过去几十年积累的气象数据分析发现,阿里台址在观测季(每年10月至次年3月间)大气平均水汽含量约1毫米左右,保证了开展微波波段观测所需的大气透射率,其观测条件与智利天文台相当。

  从开展CMB观测方面考虑,阿里地区处于最理想的中纬度区域,充分利用地球自转,可见天区覆盖接近全天的65%,利于开展大天区扫描,并能很好地与南半球已有的观测台址互补,有助于实现由地面探测CMB的全天覆盖。基于普朗克卫星已有的高频测量结果显示,北半球天区存在大片前景辐射低的干净天区。瞄准干净天区进行深度扫描,有助于率先发现原初引力波,同时覆盖部分南天,与现有南半球实验形成有力的互补,利于不同实验间的交叉检验。

  观测站建设现状及未来目标

  阿里计划于2014年由中科院高能物理研究所张新民团队提出,2016年正式立项。阿里计划将充分利用青藏高原的海拔优势,建成世界上海拔最高的原初引力波观测站,打开北天地面原初引力波观测的新窗口,开展对CMB偏振的精确测量,并与南半球台址在地域上形成有利的互补,成为地面CMB探测的三大基地之一。

  阿里原初引力波观测站海拔5250米,经过两年多的发展,已完成台址基础建设。

  阿里计划前五年(2016—2021年)将集中于Ali CMB Polarization telescope -1号望远镜(简称 AliCPT-1)的建设、观测及相关的科学研究。

爱乐透彩票  AliCPT-1将采用对微波信号极其灵敏的超导边缘相变探测器(transition edge sensor,简称TES)。TES是当前主流的CMB望远镜探测器。随着探测器技术的发展,目前科学家们已经能够将上千个TES探测器集成在一个4到6英寸的模板上,做成探测器模块,摆放到望远镜的焦平面上,来开展对微波信号的精确测量。

爱乐透彩票  目前AliCPT-2号正在规划之中,为下一个五年内的主要研究目标。同时,阿里计划将研制更大口径的CMB 偏振望远镜,开展更多频段的观测,其科学目标将扩展至包括中微子质量、暗能量物理本质等宇宙学领域的研究。

  (作者:李虹,系中科院高能物理研究所研究员)

打印 责任编辑:侯茜

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