原初引力波——下一個(gè)引力波的重要突破口

除了天體運(yùn)動(dòng)、演化形成的引力波以外，還有一種更獨(dú)特的引力波，它來自于宇宙誕生之初由于時(shí)空的劇烈擾動(dòng)而產(chǎn)生的引力波的背景信號(hào)，也就是所謂的“原初引力波”信號(hào)。

大家或許還記得2014年的爆炸性新聞，南極的BICEP2實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)宇宙誕生之初的原初引力波的證據(jù)。當(dāng)時(shí)刷屏度絕對(duì)不亞于今天LIGO探測(cè)到黑洞并合引力波的新聞，轟動(dòng)一時(shí)，首席科學(xué)家John Kovac被《時(shí)代》周刊選為了當(dāng)年對(duì)世界最有影響的100位人物，可見這個(gè)科學(xué)成果的轟動(dòng)效應(yīng)。

當(dāng)今的宇宙起源理論認(rèn)為，宇宙大爆炸時(shí)會(huì)發(fā)生宇宙時(shí)空劇烈的暴脹過程(inflation)，時(shí)空的劇烈擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)引力波的背景信號(hào)，也就是所謂的“原初引力波”信號(hào)。這種引力波的波長(zhǎng)跟整個(gè)宇宙的尺度差不多大，無法用地面制造的引力波直接探測(cè)裝置接收，可以通過測(cè)量宇宙微波背景輻射（簡(jiǎn)稱CMB）的B模式信號(hào)來探測(cè)。這又是個(gè)什么玩意兒呢？

CMB是宇宙大爆炸遺留下來的微弱的光子場(chǎng)，大概對(duì)應(yīng)著零下270攝氏度的輻射溫度，它攜帶著非常豐富的宇宙學(xué)信息，幾乎是人類認(rèn)知極早期宇宙演化的唯一有效途徑。CMB的發(fā)現(xiàn)不僅在半個(gè)世紀(jì)前開創(chuàng)了宇宙學(xué)，近年來對(duì)它的精確測(cè)量更是將人類帶入“精確宇宙學(xué)”時(shí)代。對(duì)當(dāng)代宇宙學(xué)、高能物理及基礎(chǔ)物理學(xué)最前沿問題，例如宇宙加速膨脹、“暗物質(zhì)”、“暗能量”的研究都起到了核心作用。

CMB的B模式極化信號(hào)是原初引力波在宇宙的大尺度上留下來的特征信號(hào)，如果2014年BICEP2實(shí)驗(yàn)看到的B模式信號(hào)被證實(shí)，將是首個(gè)觀測(cè)到引力波對(duì)物質(zhì)的直接作用的實(shí)驗(yàn)。可惜后來更多數(shù)據(jù)和儀器的結(jié)果顯示，雖然測(cè)量結(jié)果本身沒有問題，但探測(cè)到的是我們自身銀河系的前景信號(hào)，而并不是來自于宇宙早期。

此前發(fā)現(xiàn)的B模式特征

阿里原初引力波實(shí)驗(yàn)

此次LIGO實(shí)驗(yàn)的重要意義在于在LIGO的工作頻段證實(shí)引力波的存在，也就是說，引力波在其他廣泛的頻段都應(yīng)該存在，而不同頻段的探測(cè)對(duì)應(yīng)完全不同的科學(xué)目標(biāo)，在對(duì)應(yīng)這些引力波頻段的探測(cè)上建造領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)裝置，就會(huì)在未來的引力波科學(xué)大發(fā)現(xiàn)上占據(jù)先機(jī)。

原初引力波作為唯一的來自宇宙最早期的引力波信號(hào)告訴我們極為重要的關(guān)于宇宙誕生之初的物理學(xué)過程，對(duì)它的探測(cè)是引力波物理、宇宙學(xué)、高能物理的下一個(gè)重大科學(xué)突破。原初引力波一旦被探測(cè)到將揭開探索早期宇宙的新篇章。

由于科學(xué)目標(biāo)不同，原初引力波不同于黑洞產(chǎn)生的引力波，所以探測(cè)的方式是通過對(duì)宇宙微波背景輻射的觀測(cè)實(shí)現(xiàn)的，跟LIGO的探測(cè)原理完全不同。原初引力波的探測(cè)需要通過對(duì)CMB的觀測(cè)，尋找CMB當(dāng)中的B模式極化信息。目前為止，地面上開展的CMB觀測(cè)集中在發(fā)展相對(duì)成熟的智利天文臺(tái)和美國(guó)南極科考站兩個(gè)臺(tái)址。北半球一直沒有相應(yīng)的CMB實(shí)驗(yàn)得以開展，原因就在于沒有找到合適的、跟智利和南極站址觀測(cè)條件相比擬的北半球臺(tái)址。

我國(guó)正在計(jì)劃開展的西藏阿里原初引力波實(shí)驗(yàn)，利用阿里地區(qū)獨(dú)特的地理氣象條件，將實(shí)現(xiàn)首次對(duì)北半球可見天區(qū)的原初引力波搜尋，是我國(guó)獨(dú)具特色的引力波研究項(xiàng)目。比如美國(guó)本土無法開展類似的探測(cè)活動(dòng)，只能通過美國(guó)在南極的科考站，或者借助智利的天文平臺(tái)進(jìn)行南半球的觀測(cè)活動(dòng)。阿里項(xiàng)目中我們使用的是一臺(tái)微波波段的望遠(yuǎn)鏡，通過極其敏感的探測(cè)元器件，排除地球大氣和銀河系的干擾，搜尋從137億年前跨越整個(gè)宇宙?zhèn)鞑サ轿覀兊挠钪嫖⒉ū尘拜椛?。望遠(yuǎn)鏡為了盡量避開環(huán)境和大氣的干擾，放在海拔5100多米的西藏阿里地區(qū)獅泉河附近的山頂。

阿里計(jì)劃

引力波被LIGO首次直接探測(cè)到，證明了引力波的存在，我們可以滿懷信心地去尋找不同波段的引力波，就像不同波段的電磁波譜一樣。阿里計(jì)劃是尋找頻率最低的宇宙誕生之初產(chǎn)生的引力波，探測(cè)到它是下一個(gè)引力波領(lǐng)域、宇宙學(xué)、高能物理的重大突破。我們現(xiàn)在更有信心去探尋原初引力波。

期待未來

科學(xué)上講引力波的發(fā)現(xiàn)為我們打開了研究宇宙的全新窗口。射電、光學(xué)、紅外、紫外、X射線、伽馬射線等等不同的電磁波譜研究宇宙都是來自于光子攜帶的信息，引力波攜帶著與電磁波截然不同的信息，將為我們揭示宇宙新的奧秘，比如黑洞與黑洞并合時(shí)的物理過程。宇宙大爆炸時(shí)發(fā)出的原初引力波，如果被探測(cè)到將為我們揭示宇宙誕生之初的奧妙。至于對(duì)人們平常的生活到底會(huì)有多大影響，我們大概不會(huì)比一百年前，人們剛發(fā)現(xiàn)電磁波時(shí)候的想象力好太多，引力波到底能多大程度上改變?nèi)祟惖纳?，讓一百年后我們后裔們?nèi)ンw會(huì)吧！

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