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阿里计划探原初引力波:寻找宇宙初啼的证据

2016-02-24 08:54
论恒
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  在激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布探测到引力波之后,国内相关研究也陆续走入人们的视线。从最初的“阿里计划”和“天琴计划”,到最近的“太极计划”,无不显示着我国在引力波探测领域的壮志雄心。

  事实上,上述三大计划差别迥异。从探测方式来看,太极计划和天琴计划为空中探测,且探测目标不同。而阿里原初引力波探测项目则是地面观测,其目标是寻找宇宙初啼的证据——原初引力波。

  原初引力波意义非凡

  2月19日上午,中科院高能物理所研究员张新民与阿里计划得力干将美国麻省理工学院物理系研究员苏萌、中科院高能物理所副研究员李虹,在该所作了一场“LIGO引力波探测和阿里计划”专题研讨会。

  研讨会在向听众传递关于引力波科学信息的同时,也展示了中国研究人员在该领域多年的研究成果及寻找原初引力波的雄心,吸引了众多科学家、物理和天文领域的学者、学生和科学爱好者参与。

  张新民介绍,科学界根据起源对引力波进行了简单划分,其中在宇宙诞生时产生的引力波被视作原初引力波。

  “原初引力波的波长与宇宙尺度相当,比此次LIGO探测到的引力波频率低很多。”苏萌解释道,“而且二者的起源也有很大差别,原初引力波对应宇宙学起源。而LIGO探测到的双黑洞并合引力波则起源于天体物理运动。”

  在探测到引力波之后,寻找原初引力波,便被科学家视作下一个重要科学目标。

  “发现原初引力波将是对早期宇宙理论的检验。”苏萌告诉笔者,宇宙早期是否存在暴涨过程都可以从原初引力波中寻找到答案,“发现原初引力波对基础物理和宇宙学,都会是很重要的突破”。

  寻找宇宙背景光子

  当代宇宙学普遍认为,宇宙早期经历过大爆炸过程,早期的宇宙可以被看作一团炙热的气体,宇宙各个组分处于热平衡状态,光子和电子频繁发生散射。随着宇宙膨胀,温度变低,光子在经历最后一次散射后脱离热平衡状态,在宇宙空间中自由传播,形成了所谓的宇宙背景光子(CMB)。

  CMB携带着丰富的宇宙学信息,成为科学家认识宇宙的重要手段,CMB极化是下一代相关实验的研究重点,而测量CMB的B模式极化是科学家探测原初引力波的重要手段。

  苏萌表示,CMB产生于宇宙诞生后38万年左右,已经过近137亿年的传播。“虽然中间经历了各种各样的天体物理演化过程,但我们依然有办法区分什么是后期宇宙演化产生的效应,什么是宇宙早期产生的信号。”

  自1965年第一次捕捉到CMB光子之后,各国科学家已通过COBE、WMAP和PLANCK等空间卫星以及地面CMB望远镜进行了大量测量。地面望远镜成为下一代CMB实验发展的主要方向,由于北半球长期缺乏合适的台址,当前的CMB地面观测都集中在南半球,如美国南极科考站和智利天文台,只能看到50%的天区。因而在北半球天区寻找观测点,形成地面观测的全天覆盖变得十分重要。

  静待研究成果

  由于是微波波段的观测,CMB的地面探测对地面大气环境要求苛刻,大气中的水汽含量是一个重要的关注点。一方面空气中的水分子会吸收CMB光子,另一方面水汽也会在微波波段产生辐射,对信号形成干扰。“相当于信号变弱,而背景又增强了。”苏萌说。

  所以,寻找具有合适大气透射率的观测点变得至关重要。根据PLANCK卫星的观测,全球只有4个地方适合进行CMB探测:位于南半球的阿塔卡马沙漠、南极,以及位于北半球的格陵兰岛和我国西藏阿里。

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