在引力波探测领域,中国不是旁观者,而是重要的参与者。全国政协委员、中国科学院高能物理研究所研究员张新民介绍,目前,我国引力波探测天地“两路并进”:一是太空探测引力波,包括中科院提出的“太极计划”和由中山大学领衔的“天琴计划”;二是地面探测引力波,包括中科院高能物理研究所主导的“阿里计划”——探测原初引力波,以及国家天文台主持的贵州500米口径球面射电望远镜FAST项目——通过脉冲星计时阵探测引力波。
2017年12月13日,中国科学院高能物理研究所牵头、国内多家科研单位参与的中美合作项目“阿里原初引力波探测实验”(简称“阿里计划”)正式启动——在海拔5250米高度的西藏阿里,一座世界上最先进的、用于探测原初引力波的望远镜将于5年内建成并开始观测。西藏阿里是地球上迄今为止唯一一个可以实现北天区原初引力波观测的地点。张新民说:“智利和南极的观测站都已经建成,对南半球可见天区进行了观测,但它们是无法观测北半球的可见天区的。”由于地理环境的限制,我国西藏与格陵兰岛是北半球两个可能的CMB观测台址,但格陵兰岛自然条件严酷,观测设施建设成本高昂,科学家们将目光对准了西藏阿里,“阿里计划建成后,将与南极、智利台址协同实现全天覆盖。”
张新民透露:“项目进展顺利,一期观测仓主体工程基本完工。原初引力波是宇宙开端产生的引力波,蕴含着宇宙起源的奥秘。我们希望给出一张北天区宇宙微波背景辐射极化最好的天图。”阿里计划包括阿里一号、二号的研制与相关的科学研究,以及与美方合作,参加南极观测实验。通过阿里计划的实施,将我国原初引力波探测实验带入国际前沿。
过去10余年间,宇宙学研究步入精确宇宙学时代。2017年诺贝尔奖物理学奖颁给激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO)合作组织的3位主要成员雷纳·韦斯、巴里·巴瑞希和吉普·索恩。雷纳·韦斯今年初访华时说:“‘阿里计划’会成为中国科学的典范。中国利用西藏特殊的地理条件,建造一台国际共享的设备,全世界都应该知道中国在做这样的事。”
原初引力波,顾名思义,就是宇宙原初时期产生的引力波。科学家们发现,引力波极其微弱,只有在类似黑洞合并等天体物理起源事件和宇宙形成早期剧烈的量子涨落,才可能产生能够被探测到的引力波。中国科学技术大学教授蔡一夫说:“探测原初引力波,有利于研究暴胀这样一个极高能标的早期宇宙动力学过程。同时,原初引力波通常起源于极早期宇宙时空的量子涨落,对其进行研究有助于推进人们对量子引力等基本物理问题的理解。”
建设望远镜只是探测原初引力波的第一步,之后依然面临很多困难。蔡一夫说:“我们实验测量的将是宇宙微波背景辐射,也就是CMB的偏振信号,原初引力波就藏在这里。但这些信号在138亿年的漫长历史当中会被各种天体因素所‘污染’,我们的一个重要科学任务就是从复杂的天图中抽丝剥茧,剔除可疑信号,提炼出原初引力波信号。”
阿里计划的开展不仅将提高我国在国际宇宙学、天文学、高能物理学界的地位和声望,还可以有力推动我国低温超导探测技术发展。张新民说:“通过中美合作,将极大提高我国在超导微波探测器,超低温制冷系统、探测器焦平面制备与检测等方面的技术水平。”