阿里實驗：尋找原初引力波

曹玲

人類發現引力波這件事情，并沒有讓麻省理工學院物理系研究員蘇萌感到特別激動。

這種事情，2014年他已經經歷過一回。

2014年3月17日，哈佛史密森天體物理研究中心，BICEP項目負責人之一、蘇萌曾經的博士生導師約翰·科瓦奇（John Kovac）開始介紹首次發現的原初引力波信號的觀測結果，以及專門設計建造的核心探測裝置：第二代BICEP南極望遠鏡。

在不到一天的時間里，全球超過350萬人嘗試登錄哈佛網絡直播平臺，希望得知新聞發布會的細節，以至于哈佛完善的網絡平臺徹底崩潰。

對此，蘇萌曾滿懷激情地寫道：“作為宇宙中稀有的智慧生命的我們，窺探到了宇宙誕生后最初的一瞬間留給后人的信息——請相信我，作為智慧生命的種群，生活在這樣的一個宇宙中，真的是一件非常幸福，更是幸運的事情。”

但很快，有科學家質疑BICEP2探測到的引力波信號有可能是星際塵埃產生的噪音信號，引得學術界一片嘩然。2014年9月，歐洲宇航局公布了普朗克（Planck）衛星的觀測數據，他們的數據支持星際塵埃的有關質疑。2015年2月，歐洲物理學家小組宣布通過普朗克衛星的調查，原初引力波的發現確實是個失誤。為此，BICEP2整個工作組的聲譽遭受了重大影響。

“這是一個不好的消息，原初引力波并沒有找到;對于中國來說，這可能又是一個很好的機會，既然原初引力波還沒有找到，我們就還有希望。”蘇萌說。

2014年5月，在美國發布發現原初引力波不久，中國科學院高能物理研究所的張新民研究員等人，就提出了發展中國的原初引力波項目——阿里實驗計劃。該項目計劃在西藏阿里地區獅泉河鎮南30公里山脊頭部的阿里天文臺進行引力波觀測。阿里天文臺海拔5100米，是北半球首個海拔超過5000米的天文臺。這里云量少、水汽低、透明度高、視寧度條件好，這些優點使阿里成為天文學家眼中“仰望星空”的最佳點。

為什么已經發現了雙黑洞產生的引力波，還要去尋找原初引力波？原初引力波又是什么？

今天我們對宇宙最基本的認識是，宇宙起源于138億年前的一次大爆炸。美劇《生活大爆炸》的片頭描述了大爆炸理論：我們整個宇宙誕生之初溫度密度極高，隨著不斷地膨脹，宇宙慢慢地冷卻。傳統的大爆炸理論描述了宇宙如何擴張，如何冷卻，物質如何凝結并構成了星系與結構。但是它并未提及大爆炸本身，并沒有告訴我們什么爆炸了，爆炸之前發生了什么。

1980，32歲的美國科學家阿蘭·古斯（Alan Guth）提出了一個新的理論——宇宙暴脹，對宇宙學有著深遠的影響。

提出宇宙暴脹的想法之后，他想到最好的普及方法就是到處做報告。1980年春天，只是個博士后的阿蘭打破了傳統的宇宙形成理論，向前追溯宇宙的形成。他的演講題目是《大爆炸后的10-35秒》。

原始的宇宙大爆炸模式存在一些缺陷，尤其是宇宙形成的第一瞬間，究竟發生了什么，完全是個謎，阿蘭的理論完美地解釋了大爆炸的瞬間，引入了一個稱為暴脹的新要素。暴脹導致宇宙在進入慢速擴展之前，以驚人的速度擴展，這或許是宇宙演化歷史中最不可思議的一瞬。

暴脹論解釋了什么促使宇宙發生了當前巨大的擴張，宇宙開始的時間大概發生在大爆炸發生瞬間之后的10-37秒。“這個時間如此短暫，以至于我用了一些時間才讓自己相信我講的這些東西都是有道理的。”他在BBC拍攝的紀錄片《尋找引力波》中說道。

典型宇宙最初大小約10-24厘米寬，比一個質子還要小10億多倍。暴脹結束后，宇宙的大小約為1厘米。在那之后它從1厘米發展到了如今的宇宙。暴脹論解釋了一些重大問題，為什么我們的宇宙如此之大，呈現出近乎完全扁平的幾何結構？為什么如此大的宇宙，各方面如此均衡？阿蘭的理論也預示著，在早期的宇宙中存在引力波。因為這種引力波產生于宇宙誕生之初，人們給它起名叫原初引力波。

之后幾十年，暴脹論的變化層出不窮。上世紀90年代，暴脹論的第一個證據出現了，被送到太空的一系列衛星對大爆炸的余輝進行了新的測量，觀測結果表明和暴脹論的預測完全吻合。

暴脹論最重要的預測是時間開端即出現的引力波。“實驗證據非常重要，能否發現原初引力波可以驗證暴脹論到底是正確還是錯誤的理論。”

發現引力波將為整個暴脹論提供確鑿的證據，暴脹論只預測出原初引力波，但是并未說明引力波到底多大。

當人們談論大爆炸引起的引力波時，通常認為它是傳遍宇宙的巨大的沖擊波，這是錯誤的。暴脹產生的引力波屬于量子力學的范疇，它的波長非常的小，用望遠鏡可以找到證據。

尋找這種引力波信號的方式是研究宇宙微波背景輻射，這種輻射基本是大爆炸的余輝，隨著宇宙冷卻釋放出來，如今這種極其微弱的電磁波，依然充斥在整個宇宙中。這是宇宙中最早的光，它給了我們大爆炸發生后約30萬年前的宇宙印象。如果引力波存在于早期的宇宙中，將會影響這些光波的方向，也就是所謂的偏振。

宇宙微波背景輻射有偏振，它會在這種偏振中產生一種特定的漩渦模式，被稱為B模式，畫出來有點像風車的形狀，這是引力波的獨有模式。引力波拉伸和壓縮空間，會在大爆炸的余輝（宇宙微波背景）中留下這種模式的印記。如果這種B模式真的存在，它會是宇宙歷史上第一瞬間派來的、不可思議的強大信使。尋找爆炸產生的引力波變成了尋找這種B模式，如果暴脹理論是正確的，就會有B模式等待人們去發現。

事情似乎變得很簡單：只要建造最好的望遠鏡來找到B模式信號，就能證明原初引力波的存在。這正是科瓦奇和他的伙伴們十幾年來一直在做的事情。2002年左右，科瓦奇組建了一個20人左右的團隊，提議在南極的極點附近建設一臺名為“BICEP”的望遠鏡。這是世界上首次專門針對搜尋原初引力波產生的B模式信號而建造的探測裝置。由于投資相對較小，科學目標又非常重要，BICEP項目很快就得到了批準。

為什么科學家要不遠萬里去南極尋找原初引力波？

考慮到宇宙微波背景輻射的信號特征，以及來自天空中其他輻射源的影響，1000億～3000億赫茲的頻率是最佳的觀測窗口。這個波段的電磁波會被大氣中的水蒸氣吸收，同時水蒸氣也會發射大量類似頻率的信號，極大地影響觀測。

相對來說，南極是個很好的觀測位置。南極觀測站的位置海拔約3000米，空氣中液態的水基本變成了固態，停留在地面上。即便在空氣中，水也是以小冰晶的方式存在，整個大氣在微波波段變得相當同名，提供了一個地球上最好的觀測站點。

據阿里實驗計劃負責人、中科院高能所研究員張新民介紹，除了南極之外，地球上能找到的絕佳觀測點還有三個：南半球有智利阿塔卡馬沙漠的高山之巔、北半球有格陵蘭島和我國西藏阿里。他分析，阿塔卡馬沙漠和阿里都處于中緯度，掃過的天區面積比高緯度地區要大很多，未來阿里將成為北半球天區第一個地面觀測點，開啟北天區原初引力波觀測的新窗口，與南半球相呼應。目前，美國已經在南極和智利進行了引力波觀測。如果不考慮成本的話，也可以把探測器發射到太空中，比如美國航空航天局于2001年發射的威爾金森探測器，以及歐洲空間局于2009年發射的普朗克衛星。

BICEP項目經過緊張的準備，于2005年南極的夏天正式建造，2006年開始采集科學數據。由于條件有限，只有在南極每年極晝期間大約3個月的時間內，才有機會運送給養，修復或者升級BICEP望遠鏡。這個時候他們會暫停觀測，進行緊張的工程建設，比如加注大量的液氦把整個望遠鏡冷卻到-270℃，來降低探測時的噪音。

在余下的極晝以及整個極夜期間，BICEP會對一個特定的天區進行不間斷觀測。在極夜到來之前，絕大多數BICEP成員都會撤出南極，只留下工程師斯蒂芬·里克特在那里待上9個月，負責望遠鏡的運行和維護。每天他都要步行1公里多路去望遠鏡那里工作，戶外溫度在-40℃至-73℃，冬季6個月沒有太陽，天上只有美麗的星星和極光，他卻說那是世界上最美的一條上班道路。

從1992年起，科瓦奇每年都要去南極建設宇宙微波背景輻射探測裝置，幾乎沒和妻子家人一起度過圣誕節。

第一代BICEP工作到2009年，之后進行升級。第二代儀器BICEP2觀測效率由于探測器技術上突飛猛進，一下提高了近10倍。蘇萌是科瓦奇在哈佛大學的第一屆學生，2008年加入BICEP團隊之后，主要負責處理分析第一代BICEP望遠鏡收集的數據，一直沒有去過南極。

辛苦的工作并沒有換來巨大的成果。“普朗克衛星的數據表明，BICEP觀測的南極最干凈的一片天區，被銀河系自身的塵埃污染了。這些小顆粒本身也輻射微波，塵埃造成的輻射讓數據的可靠度下降。BICEP的研究面臨一個困難，它被宇宙塵埃擋住了。”阿里實驗計劃成員、高能物理研究所副研究員李虹說。

那么，北半球有沒有銀河系自身輻射少一點、更干凈的一個天區來尋找引力波呢？

普朗克衛星的觀測表明，北半球可見的天區有很多地方是挺干凈的，可能存在透過銀河系觀測宇宙的更好窗口。“我們現在有一個很好的機會，機會就是我們有青藏高原和阿里天文臺。我們很可能有一個更干凈的窗口，率先發現原初引力波。雖然我們和國外的研究可能存在一定差距，但是至少整個北天區只能通過阿里觀測站來尋找引力波，這是一個天時、地利、人和共存的機會，我們正在努力去促成這件事。”蘇萌覺得這是一個開展引力波探測千載難逢的好機會，他忙于阿里實驗計劃的籌備工作，計劃把工作的重心從美國轉到中國來。“目前尋找原初引力波的實驗主要在南半球，即南極和智利，阿里天文臺加入后，即可實現全天覆蓋。”“以前我們一直討論可不可以去丹麥的格陵蘭島進行觀測，那里靠近北極，海拔3000米，但是一個寸草不生的荒原，工作環境并不比阿里好，而且阿里的可觀測天區是格陵蘭島的兩倍。”蘇萌說，“目前，很多國家的研究小組都希望通過阿里這個平臺，和中國進行國際合作。”

張新民也屢次表示，按照計劃，阿里實驗預期5年就可以出成果，造價約1億元。這個數字，相比其他基礎科研的投入而言，不算大數目。

“我們現在有一個很好的契機去了解宇宙是如何誕生的，能夠回答這個問題無論是從哲學層面還是科學層面，都是一個很大的進步。”蘇萌說。