西藏阿里,是一片荒芜却富有诗意的土地,也是中国科学家致力打造的“天文高地”。2016年,阿里原初引力波探测计划(下称“阿里计划”)得到中国科学院及(国家自然科学)基金委员会的支持,并于同年12月正式立项、启动。历时两年多的紧张建设,2018年11月,观测仓已建成并通过验收。“阿里计划”缘何选择西藏阿里?“阿里计划”最新进展如何?近日,记者专访了中国科学院高能物理研究所研究员、“阿里计划”首席科学家张新民。
“阿里计划”是在西藏阿里地区阿里天文台海拔5250米的B1点建设一台高灵敏的微波背景辐射(CMB)偏振望远镜,探测原初引力波,探索宇宙起源。人们将其形象地比喻成:在“世界屋脊的屋脊”聆听宇宙初啼。“这是项目的第一步,我们计划第二步在更高海拔(6000米)处建设台址,当然还是在西藏阿里,目前选址工作进展顺利。”张新民在采访中透露。
原初引力波是产生于宇宙诞生时期的时空量子涨落,他对应的频段比黑洞、中子星并合产生的引力波要低很多,一旦被探测到将是对宇宙起源理论(如暴涨、反弹等)的强有力的检验。
2016年2月,美国的LIGO合作组宣称探测到了引力波,引起巨大轰动,因此获得了2017年度诺贝尔物理学奖。值得注意的是,LIGO合作组所探测到的引力波为黑洞并合、中子星并合产生的引力波,并非原初引力波。实际上,截止到目前,国际上还没有探测到原初引力波。“谁都没看到(原初引力波),这对我们来说就是个很好的机遇,我们有望能做第一个看到的。”张新民说。
宇宙微波背景辐射(CMB)是一群古老的光子。宇宙在极早期曾经充斥着各种基本粒子而处于混沌的等离子体状态,直到大爆炸约38万年后,质子和电子结合成稳定的中性氢原子,宇宙才变得通透起来并可以让当时的光子自由穿行。这群光子,在穿行约137亿年后到达地球,就像是一张137亿年前的宇宙照片。
而宇宙暴胀理论认为,在大爆炸发生后的极短一瞬间,宇宙经历了一场快速膨胀,时空产生了剧烈扰动。这“暴胀”过程中产生的原初引力波就会在宇宙微波背景辐射中留下可探测的印迹,即B模式偏振。
探测B模式偏振就是“阿里计划”追寻的目标。“这种实验对地面环境要求苛刻。”张新民进一步解释,由于大气会吸收CMB光子,同时大气自身又向外辐射,这些会污染所观测的信号,因此需要大气稀薄、干燥、含水量低。通过分析我们知道,全球仅有四个最佳观测点,南半球有两个区域,一是南极,二是智利的阿塔卡玛沙漠;北半球有两个区域,一是格陵兰岛,二是我国青藏高原。
张新民介绍,目前,望远镜(AliCPT)主要部件的设计已基本完成并部分开始投产,预计于今年年内完成基座研制并安装,2020年完成望远镜研制并安装调试,2020年冬季开始观测。“我们预期2020年冬季开始观测,2022年测到一幅北天最精确的CMB偏振天图。”对于“阿里计划”的未来,张新民充满信心。
早在2014年,在南极极点的美国BICEP团队一度宣称发现了原初引力波,结果发现是银河系中星际尘埃造成的“乌龙”。因此,“阿里计划”和南极实验项目其实是一种互补关系,一南一北协同观测,从而达到对原初引力波观测进行全天区覆盖的目的。
“说实话,自2017年3月动工到去年2018年11月份,在海拔5250米的山头上建成观测仓实属不易。在此,我感谢团队成员以及施工的工人师傅们。”张新民说,自从去年年底,仪器已经陆续运抵,需要通电通网,但是目前电、网还都尚未接通,这需要当地政府相关部门的大力支持。作为项目首席科学家,张新民也为项目所在地的通电通网问题担忧。