阿里实验:寻找原初引力波

 
阿里实验:寻找原初引力波
2016-05-27 16:32:41 /故事大全

人类发现引力波这件事情,并没有让麻省理工学院物理系研究员苏萌感到特别激动。这种事情,2014年他已经经历过一回。

2014年3月17日,哈佛史密森天体物理研究中心,BICEP项目负责人之一、苏萌曾经的博士生导师约翰·科瓦奇(John Kovac)开始介绍首次发现的原初引力波信号的观测结果,以及专门设计建造的核心探测装置:第二代BICEP南极望远镜。

在不到一天的时间里,全球超过350万人尝试登录哈佛网络直播平台,希望得知新闻发布会的细节,以至于哈佛完善的网络平台彻底崩溃。

对此,苏萌曾满怀激情地写道:“作为宇宙中稀有的智慧生命的我们,窥探到了宇宙诞生后最初的一瞬间留给后人的信息——请相信我,作为智慧生命的种群,生活在这样的一个宇宙中,真的是一件非常幸福,更是幸运的事情。”

但很快,有科学家质疑BICEP2探测到的引力波信号有可能是星际尘埃产生的噪音信号,引得学术界一片哗然。2014年9月,欧洲宇航局公布了普朗克(Planck)卫星的观测数据,他们的数据支持星际尘埃的有关质疑。2015年2月,欧洲物理学家小组宣布通过普朗克卫星的调查,原初引力波的发现确实是个失误。为此,BICEP2整个工作组的声誉遭受了重大影响。

“这是一个不好的消息,原初引力波并没有找到;对于中国来说,这可能又是一个很好的机会,既然原初引力波还没有找到,我们就还有希望。”苏萌说。

2014年5月,在美国发布发现原初引力波不久,中国科学院高能物理研究所的张新民研究员等人,就提出了发展中国的原初引力波项目——阿里实验计划。该项目计划在西藏阿里地区狮泉河镇南30公里山脊头部的阿里天文台进行引力波观测。阿里天文台海拔5100米,是北半球首个海拔超过5000米的天文台。这里云量少、水汽低、透明度高、视宁度条件好,这些优点使阿里成为天文学家眼中“仰望星空”的最佳点。

为什么已经发现了双黑洞产生的引力波,还要去寻找原初引力波?原初引力波又是什么?

今天我们对宇宙最基本的认识是,宇宙起源于138亿年前的一次大爆炸。美剧《生活大爆炸》的片头描述了大爆炸理论:我们整个宇宙诞生之初温度密度极高,随着不断地膨胀,宇宙慢慢地冷却。传统的大爆炸理论描述了宇宙如何扩张,如何冷却,物质如何凝结并构成了星系与结构。但是它并未提及大爆炸本身,并没有告诉我们什么爆炸了,爆炸之前发生了什么。

1980,32岁的美国科学家阿兰·古斯(Alan Guth)提出了一个新的理论——宇宙暴胀,对宇宙学有着深远的影响。

提出宇宙暴胀的想法之后,他想到最好的普及方法就是到处做报告。1980年春天,只是个博士后的阿兰打破了传统的宇宙形成理论,向前追溯宇宙的形成。

第二代BICEP南极望远镜

他的演讲题目是《大爆炸后的10-35秒》。

原始的宇宙大爆炸模式存在一些缺陷,尤其是宇宙形成的第一瞬间,究竟发生了什么,完全是个谜,阿兰的理论完美地解释了大爆炸的瞬间,引入了一个称为暴胀的新要素。暴胀导致宇宙在进入慢速扩展之前,以惊人的速度扩展,这或许是宇宙演化历史中最不可思议的一瞬。

暴胀论解释了什么促使宇宙发生了当前巨大的扩张,宇宙开始的时间大概发生在大爆炸发生瞬间之后的10-37秒。“这个时间如此短暂,以至于我用了一些时间才让自己相信我讲的这些东西都是有道理的。”他在BBC拍摄的纪录片《寻找引力波》中说道。

典型宇宙最初大小约10-24厘米宽,比一个质子还要小10亿多倍。暴胀结束后,宇宙的大小约为1厘米。在那之后它从1厘米发展到了如今的宇宙。暴胀论解释了一些重大问题,为什么我们的宇宙如此之大,呈现出近乎完全扁平的几何结构?为什么如此大的宇宙,各方面如此均衡?阿兰的理论也预示着,在早期的宇宙中存在引力波。因为这种引力波产生于宇宙诞生之初,人们给它起名叫原初引力波。

之后几十年,暴胀论的变化层出不穷。上世纪90年代,暴胀论的第一个证据出现了,被送到太空的一系列卫星对大爆炸的余辉进行了新的测量,观测结果表明和暴胀论的预测完全吻合。

暴胀论最重要的预测是时间开端即出现的引力波。“实验证据非常重要,能否发现原初引力波可以验证暴胀论到底是正确还是错误的理论。”

发现引力波将为整个暴胀论提供确凿的证据,暴胀论只预测出原初引力波,但是并未说明引力波到底多大。

当人们谈论大爆炸引起的引力波时,通常认为它是传遍宇宙的巨大的冲击波,这是错误的。暴胀产生的引力波属于量子力学的范畴,它的波长非常的小,用望远镜可以找到证据。

寻找这种引力波信号的方式是研究宇宙微波背景辐射,这种辐射基本是大爆炸的余辉,随着宇宙冷却释放出来,如今这种极其微弱的电磁波,依然充斥在整个宇宙中。这是宇宙中最早的光,它给了我们大爆炸发生后约30万年前的宇宙印象。如果引力波存在于早期的宇宙中,将会影响这些光波的方向,也就是所谓的偏振。

宇宙微波背景辐射有偏振,它会在这种偏振中产生一种特定的漩涡模式,被称为B模式,画出来有点像风车的形状,这是引力波的独有模式。引力波拉伸和压缩空间,会在大爆炸的余辉(宇宙微波背景)中留下这种模式的印记。如果这种B模式真的存在,它会是宇宙历史上第一瞬间派来的、不可思议的强大信使。寻找爆炸产生的引力波变成了寻找这种B模式,如果暴胀理论是正确的,就会有B模式等待人们去发现。

事情似乎变得很简单:只要建造最好的望远镜来找到B模式信号,就能证明原初引力波的存在。这正是科瓦奇和他的伙伴们十几年来一直在做的事情。2002年左右,科瓦奇组建了一个20人左右的团队,提议在南极的极点附近建设一台名为“BICEP”的望远镜。这是世界上首次专门针对搜寻原初引力波产生的B模式信号而建造的探测装置。由于投资相对较小,科学目标又非常重要,BICEP项目很快就得到了批准。

为什么科学家要不远万里去南极寻找原初引力波?

考虑到宇宙微波背景辐射的信号特征,以及来自天空中其他辐射源的影响,1000亿~3000亿赫兹的频率是最佳的观测窗口。这个波段的电磁波会被大气中的水蒸气吸收,同时水蒸气也会发射大量类似频率的信号,极大地影响观测。

相对来说,南极是个很好的观测位置。南极观测站的位置海拔约3000米,空气中液态的水基本变成了固态,停留在地面上。即便在空气中,水也是以小冰晶的方式存在,整个大气在微波波段变得相当同名,提供了一个地球上最好的观测站点。

据阿里实验计划负责人、中科院高能所研究员张新民介绍,除了南极之外,地球上能找到的绝佳观测点还有三个:南半球有智利阿塔卡马沙漠的高山之巅、北半球有格陵兰岛和我国西藏阿里。他分析,阿塔卡马沙漠和阿里都处于中纬度,扫过的天区面积比高纬度地区要大很多,未来阿里将成为北半球天区第一个地面观测点,开启北天区原初引力波观测的新窗口,与南半球相呼应。目前,美国已经在南极和智利进行了引力波观测。如果不考虑成本的话,也可以把探测器发射到太空中,比如美国航空航天局于2001年发射的威尔金森探测器,以及欧洲空间局于2009年发射的普朗克卫星。

BICEP项目经过紧张的准备,于2005年南极的夏天正式建造,2006年开始采集科学数据。由于条件有限,只有在南极每年极昼期间大约3个月的时间内,才有机会运送给养,修复或者升级BICEP望远镜。这个时候他们会暂停观测,进行紧张的工程建设,比如加注大量的液氦把整个望远镜冷却到-270℃,来降低探测时的噪音。

在余下的极昼以及整个极夜期间,BICEP会对一个特定的天区进行不间断观测。在极夜到来之前,绝大多数BICEP成员都会撤出南极,只留下工程师斯蒂芬·里克特在那里待上9个月,负责望远镜的运行和维护。每天他都要步行1公里多路去望远镜那里工作,户外温度在-40℃至-73℃,冬季6个月没有太阳,天上只有美丽的星星和极光,他却说那是世界上最美的一条上班道路。

从1992年起,科瓦奇每年都要去南极建设宇宙微波背景辐射探测装置,几乎没和妻子家人一起度过圣诞节。

第一代BICEP工作到2009年,之后进行升级。

第二代仪器BICEP2观测效率由于探测器技术上突飞猛进,一下提高了近10倍。苏萌是科瓦奇在哈佛大学的第一届学生,2008年加入BICEP团队之后,主要负责处理分析第一代BICEP望远镜收集的数据,一直没有去过南极。

辛苦的工作并没有换来巨大的成果。“普朗克卫星的数据表明,BICEP观测的南极最干净的一片天区,被银河系自身的尘埃污染了。这些小颗粒本身也辐射微波,尘埃造成的辐射让数据的可靠度下降。BICEP的研究面临一个困难,它被宇宙尘埃挡住了。”阿里实验计划成员、高能物理研究所副研究员李虹说。

那么,北半球有没有银河系自身辐射少一点、更干净的一个天区来寻找引力波呢?

普朗克卫星的观测表明,北半球可见的天区有很多地方是挺干净的,可能存在透过银河系观测宇宙的更好窗口。“我们现在有一个很好的机会,机会就是我们有青藏高原和阿里天文台。我们很可能有一个更干净的窗口,率先发现原初引力波。虽然我们和国外的研究可能存在一定差距,但是至少整个北天区只能通过阿里观测站来寻找引力波,这是一个天时、地利、人和共存的机会,我们正在努力去促成这件事。”苏萌觉得这是一个开展引力波探测千载难逢的好机会,他忙于阿里实验计划的筹备工作,计划把工作的重心从美国转到中国来。“目前寻找原初引力波的实验主要在南半球,即南极和智利,阿里天文台加入后,即可实现全天覆盖。”“以前我们一直讨论可不可以去丹麦的格陵兰岛进行观测,那里靠近北极,海拔3000米,但是一个寸草不生的荒原,工作环境并不比阿里好,而且阿里的可观测天区是格陵兰岛的两倍。”苏萌说,“目前,很多国家的研究小组都希望通过阿里这个平台,和中国进行国际合作。”

张新民也屡次表示,按照计划,阿里实验预期5年就可以出成果,造价约1亿元。这个数字,相比其他基础科研的投入而言,不算大数目。

“我们现在有一个很好的契机去了解宇宙是如何诞生的,能够回答这个问题无论是从哲学层面还是科学层面,都是一个很大的进步。”苏萌说。

记者 曹玲

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