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阿里原初引力波項目首席科學家:在西藏聆聽宇宙初啼

11月
02
2017

2017年11月02日05時 今日科學 cnBeta

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摘要:

500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)近日宣布首次發現脈衝星,使中國躋身脈衝星俱樂部。而通過「看」這種中子星的旋轉,「中國天眼」還有望「聽」到另一種宇宙的律動:引力波。由美國加州理工學院主導的LIGO團隊於2016年初宣布成功探測到引力波,造就了今年毫無懸念的諾獎歸屬,也掀開了國際上加緊引力波研究布局的熱潮。

除了貴州山區大窩凼中的「大鍋」FAST,中國正在海拔5250米的世界屋脊上建設「阿里一號」望遠鏡。並計劃將衛星送上太空,三路並進,捕捉引力波。

中國科學院高能物理所研究員張新民10月12日接受澎湃新聞專訪(www.thepaper.cn)時介紹道,引力波就像電磁波一樣,具有不同的頻段,對應的探測方式也不同:「這三種方法中,空間探測和FAST通過脈衝星來探測的都是天體產生的引力波。」由張新民擔任首席科學家的阿里計劃,針對的則是宇宙學起源的原初引力波。

作為宇宙暴脹理論的預言,原初引力波對於人類了解宇宙的誕生和演化意義非凡。「到目前為止,這個東西還都沒看到,而且它的科學意義非常重大。」張新民說道。

世界屋脊上的阿里天文台外景。微信公號 中科院高能所 圖

「看」不同的光,捕捉不同的引力波

「2016年2月LIGO宣布探測到引力波以後,國家做了一個整體部署,科技部、中科院、(國家自然科學)基金委啟動了相應的項目。還有一件非常重要的事:科技部成立了引力波研究專家委員會。」張新民說道。

目前,中國的引力波探測力量兵分三路:阿里計劃、貴州的 FAST和空間探測。

阿里計劃由中科院高能所牽頭,合作單位包括國家天文台、天光所、紫金山天文台、上海微系統所、理論所、西藏大學、中科大、北師大、北京大學、清華大學、華中師大、美國史丹福大學等。台灣大學正在申請經費參加阿里計劃。

FAST是通過脈衝星計時陣列的方式探測引力波,未來還將加入國際聯合的脈衝星引力波探測計劃。

空間方面現有兩個方案,一個是由中科院力學所和國科大領導的「太極計劃」,另一個則是由中山大學主導的「天琴計劃」。

為何需要兵分三路?張新民解釋道,就是要「聽」到不同頻段的引力波,方式也就不同。

引力波是愛因斯坦廣義相對論的重要預言。引力波到來時,造成時空彎曲, 影響了傳播中的光子。

張新民說道,LIGO「看」的是雷射,FAST 「看」的是脈衝星發出的光,而阿里計劃「看」的是一種叫宇宙微波背景輻射的「光」。

一張137億年前的宇宙照片

宇宙微波背景輻射(CMB)是一群古老的光子。宇宙在極早期曾經充斥著各種基本粒子而處於混沌的等離子體狀態,直到大爆炸大約38萬年後,質子和電子結合成穩定的中性氫原子,宇宙才變得通透起來並可以讓當時的光子自由穿行。這群光子,在穿行約137億年後到達地球,就像是一張137億年前的宇宙照片。

而宇宙暴脹理論認為,在大爆炸發生後的極短一瞬間,宇宙經歷了一場快速膨脹,時空產生了劇烈擾動。這「暴脹」過程中產生的原初引力波就會在宇宙微波背景輻射中留下可探測的印跡,即B模式偏振。探測B模式偏振就是阿里計劃追尋的目標。

阿里第一期觀測艙即將建設完畢

在項目具體的時間表上,張新民說道,阿里項目分兩期建設,第一期目標「三年建成,五年出成果」。張新民透露,第一期就是正在海拔5250米處建造的阿里一號望遠鏡,實現我們對原初引力波的首次測量。「項目的第一步,就是建設觀測艙,現在已經差不多快建好了。2019年把望遠鏡放上去安裝調試,2020年就開始觀測了。」

第二期則是建造靈敏度更高的阿里二號望遠鏡,實現對原初引力波的精確測量。科學上,不僅探測原初引力波,對重要的基礎物理其他課題我們也要開展研究,比如檢驗CPT對稱性、研究暗能量的物理性質。

星空下的阿里天文台。微信公號 中科院高能所 圖

西藏阿里:全球四大最佳的觀測點之一

為何選擇了西藏阿里呢?張新民說道,大氣越稀薄、水汽含量越少,才越有希望減少干擾,更能看清原初引力波留下的痕跡。2014年5月,張新民帶領團隊提出了在西藏阿里開展CMB實驗研究。

目前,全球共有4個最佳的觀測點。現有的重要的CMB實驗站都集中在南極極點和智利阿塔卡馬沙漠這2個南半球的點。北半球的2個點是格陵蘭和西藏阿里。

2014年,在南極極點的美國BICEP團隊一度宣稱發現了原初引力波,結果發現是銀河系中星際塵埃造成的「烏龍」。

張新民說道:「阿里計劃和南極實驗項目是一種互補。我們現在就在和BICEP合作。一南一北協同觀測十分重要。他們團隊的負責人郭兆林教授,被我們請過來做阿里計劃的高級顧問。」目前阿里一號望遠鏡的探測器數目是美國南極最靈敏的BICEP3望遠鏡的2.7倍。

「做第一個看到的」

2017年的諾貝爾物理學獎授予LIGO團隊的(雷納·韋斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(Kip Stephen Thorne)和巴里·巴里什(Barry Clark Barish),可謂毫無懸念。引力波的發現,是一個世紀以來物理學界的最大盛事。

引力波「火」了。不過,在LIGO宣布結果之前,從事引力波相關研究的科研人員是寂寞的。

早在1973年春,著名物理學家周培源教授發表了要重視基礎研究的文章,傳達了周恩來總理的聲音,要在中國物理學領域開拓關於引力波的研究,此後,中山大學物理學教授陳嘉言等人也做出了重要的貢獻。然而,由於科研投入和引力波研究環境的變化,中國的引力波探索陷入了空白期。

張新民作為阿里計劃的主要倡導者,也曾陷入「找不到對口部門」的尷尬局面。

2016年3月,作為全國政協委員的張新民借著LIGO的東風,受到了媒體的廣泛關注。他呼籲提高對基礎研究的重視,並進一步改進科研的評價體系:「引力波,我們錯過一次就夠了!」

張新民談到了上個月逝世的FAST總工程師南仁東老先生。南老為大望遠鏡的選址踏遍了貴州山區的窩凼,又在後續的20多年間吃透了工程的每一個環節。不過,南老生前,並未獲得過獎項。

「作為科學家來說,只能盡力做好,不能光想著結果。LIGO也是這樣的,幾十年,1000多名科學家參與,最後拿諾獎的也只有三位。」張新民說道。

去年巴里什在接受澎湃新聞採訪時也說道:「LIGO那時候是個高風險的實驗性項目,我們也不能打包票一定能探測到什麼,前前後後花費幾億美元,最後可能是打水漂的。在科學上,欲成大事,必冒風險(Great science has to take risks)。」

好在,LIGO只是翻開了新的一頁,引力波這一章上還有大量的空間可以抒寫。目前,LIGO確認的4次引力波事件都是由黑洞產生的,世界還在期待由中子星、超新星等天體產生的引力波,由此從另一個角度了解宇宙:射電、光學、伽馬射線等電磁波譜,都是由光子承載的,而引力波則攜帶著與光子截然不同的信息。

其中,宇宙暴脹時期形成的原初引力波更是意義重大。引力波的發現,完成了愛因斯坦廣義相對論的最後一塊拼圖,原初引力波則能幫我們檢驗宇宙起源理論,回溯混沌初開時的故事。這樣的成果,無疑是諾獎級別的。

「誰都沒『看』到(原初引力波),這對我們中國阿里來說就是個很好的機遇了,我們有望能做第一個看到的。但挑戰很大,因為大家都在往前走。我們必須抓緊往前趕。」張新民說道。


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