大家好，我是李虹，来自中国科学院高能物理研究所，担任阿里原初引力波探测实验室副首席科学家。
在世界之巅——西藏阿里地区，我们的团队布设了一座能回溯百亿年时光的探测装置，只为捕捉一种名为“原初引力波”的微弱宇宙回响。接下来，就请随我一起，开启这场追寻宇宙起源的时空探索之旅。
这个提问是一个非常前沿和宏大的科学问题。阿里原初引力波实验是中国在基础科学领域的一项重大布局，科学目标是探测宇宙创生留下的“原始胎音”——原初引力波，它如同宇宙诞生时一声巨响的“时空余韵”，将为我们揭开宇宙起源的奥秘。其工作原理极为复杂，但我们可以尝试通过一个清晰的逻辑链条来理解它。
我们知道，引力波是时空的扰动。自2015年人类首次直接探测到双黑洞并合产生的引力波以来，至今已经探测到了几百起引力波事例，他们都源自于黑洞、中子星等大质量天体。但是原初引力波并非来自于任何特定的天体，而是宇宙诞生时期时空本身剧烈的量子扰动。我们的阿里实验就是捕捉它在宇宙最古老的光子上留下的“原始胎记”
图注：阿里原初引力波观测站。
我们可以将阿里实验的工作原理理解为一次“宇宙考古”，这个过程可分四步。
第一步：先锁定探测目标——宇宙的“初啼”与“婴儿照”
原初引力波：诞生于宇宙大爆炸后的“暴胀”时期。此时宇宙尺度在短短10⁻³⁶秒内膨胀了10^26倍，将时空自身剧烈的量子扰动急速拉伸成了时空波浪，这就是原初引力波。人们形容它为堪称宇宙诞生的“初啼”。
宇宙微波背景辐射（CMB）：诞生于大爆炸后约38万年，是宇宙中自由传播的第一缕光，是宇宙的“婴儿照”。这束光充满了整个宇宙，也携带了宇宙早期所有物理过程的信息。
阿里实验的核心思想就是：在宇宙微波背景这幅“婴儿照”上，寻找原初引力波留下的宇宙“原始胎记”。
第二步：捕捉关键信号——引力波的独特印记“B模式偏振”
原初引力波一经产生，便在宇宙中回响。当原初引力波穿过早期的宇宙时，它会以一种非常特殊的方式“挤压”和“拉伸”时空，从而影响宇宙微波背景光子的偏振方向。这种效应产生了一种独特的偏振图案，被称为 “B模式偏振” 或 “旋涡状偏振”。
你可以这样想象：把宇宙微波背景辐射想象成一碗水的水面，原初引力波就相当于盛水的碗不断地扭动，水面因此激起波浪和漩涡，而其中的漩涡就是 B 模式偏振——它是引力波的独特签名，其他的物理过程很难产生。
因此，阿里实验的物理目标就变得非常具体：以极高的灵敏度，在宇宙微波背景辐射中搜寻这种极其微弱的漩涡状偏振信号。
第三步：部署观测设备——在世界屋脊上的“超级望远镜”
阿里地区位于喜马拉雅山脉，那里空气稀薄，大气中的水汽含量极低，对微波信号的透射率很高。为捕捉这个来自138亿年前的微弱信号，于是我们选择在这里部署灵敏度极高的微波偏振望远镜阿里一号望远镜（AliCPT-1），它本质上是一台灵敏的能够搜索原初引力波的微波偏振相机。
AliCPT-1配备了数以千计的超导探测器，这些探测器需要在仅比绝对零度高百毫开尔文的极低温度下工作，才能将自身的噪声降到足够低，从而感知到宇宙微波背景光子细微的偏振变化。
第四步：数据分析与解读——从海量数据中“淘金”
1、数据采集：望远镜对准天空的不同区域，持续扫描，记录下海量的偏振数据。
2、去“前景”污染：我们银河系本身的星际尘埃和同步辐射也会发出偏振光，这些是干扰我们看透宇宙的“前景噪声”。科学家需要建立复杂的前景模型，并将其从观测数据中精确扣除。
3、搜寻B模式偏振信号：在“干净”的数据中，使用统计和计算方法，寻找那个隐藏在噪声之下的、独特的B模式偏振图案。
阿里原初引力波实验的两大主要科学目标
1、直接探测“宇宙初啼”，探索宇宙起源
这是阿里实验最直接、最核心的目标，旨在回答“宇宙从何而来” 这一终极问题。
目前理论物理学家提出了数十种早期宇宙模型，如暴胀、反弹、循环等。不同的模型对原初引力波的强度（通常科学界用张量、标量扰动之比 r 来描述）有不同的预言。阿里实验的目标之一就是精确测量 r 值。即使未能直接探测，给出一个前所未有的严格上限，也足以排除一大批主流模型，极大地推动理论物理学的发展。
原初引力波的探测还将为我们开启一个全新的天文学窗口。宇宙早期密度极高，光子被频繁散射，也可以说在那时宇宙是“不透明”的，因此我们无法用电磁波直接回溯到大爆炸后约38万年之前。而引力波与物质的相互作用极弱，几乎可以无阻碍地传播。因此，原初引力波是我们能够获得的、来自极早期宇宙的唯一信使。通过观测原初引力波，我们得以研究能量标度接近普朗克标度，“大统一理论”的物理过程，检验爱因斯坦的终极梦想。这个能标是地球上任何粒子对撞机都无法企及的。
2、 探索动力学暗能量性质
驱动宇宙加速膨胀的暗能量，其物理本质一直是当代物理和天文学的未解之谜之一。当前国际上最重要的暗能量实验，暗能量光谱巡天（DESI）国际合作组发布的最新研究成果表明，暗能量很可能不是爱因斯坦宇宙学常数，而是一种动力学暗能量。
理论上，动力学暗能量与光子可能存在陈省身—西蒙斯(Chern-Simons)相互作用，其效应是使光子在传播过程中偏振方向发生旋转。而 CMB 光子作为宇宙的第一缕光，传播距离贯穿整个宇宙，最有希望将微弱的偏振方向旋转积累出可观测效应，具体来说，这样的偏振旋转将带来CMB E B 偏振模式的交叉相关。
阿里实验将通过精确测量 EB 相关，探测 CMB 光子的偏振旋转，探测动力学暗能量的宇宙学演化，这些观测结果能够帮助我们理解暗能量的物理本质。
阿里实验将是在普朗克（Planck）卫星后，第一个精确测量北半球天区的 CMB 实验。阿里将精确测量 CMB E 模式偏振，检验标准宇宙学模型，探索早期暗能量、哈勃常数危机等当前宇宙学领域的热点问题。
此外，阿里实验还将给出迄今为止北天区最精确的毫米波巡天数据，在点源、暂现源、银河系前景科学及轴子探测等领域具有广泛的科学潜力。相比于 Planck 卫星每半年完成一次全天扫描，阿里实验由于地球自转，将每天对近 60% 的天区巡天一次，在暂现源探测、时域天文学领域优势明显。与此同时，阿里实验在北天区的多频段扫描将对北天银河系极化前景辐射的研究提供最精确的毫米波观测数据。
原初引力波探测工作意义重大，一旦成功，将直接验证宇宙暴胀理论，开启“原初引力波天文学”的新纪元，帮助我们理解宇宙的起源和终极命运。阿里实验凭借其北半球的独特地理位置，将与南半球的观测项目形成互补，共同推进人类对宇宙的认知边界。
来源：腾讯新闻
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