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原初引力波——下一個引力波的重要突破口

除了天體運動、演化形成的引力波以外，還有一種更獨特的引力波，它來自于宇宙誕生之初由于時空的劇烈擾動而產生的引力波的背景信號，也就是所謂的“原初引力波”信號。

大家或許還記得2014年的爆炸性新聞，南極的BICEP2實驗發現宇宙誕生之初的原初引力波的證據。當時刷屏度絕對不亞于今天LIGO探測到黑洞并合引力波的新聞，轟動一時，首席科學家John Kovac被《時代》周刊選為了當年對世界最有影響的100位人物，可見這個科學成果的轟動效應。

當今的宇宙起源理論認為，宇宙大爆炸時會發生宇宙時空劇烈的暴脹過程(inflation)，時空的劇烈擾動會產生一個引力波的背景信號，也就是所謂的“原初引力波”信號。這種引力波的波長跟整個宇宙的尺度差不多大，無法用地面制造的引力波直接探測裝置接收，可以通過測量宇宙微波背景輻射（簡稱CMB）的B模式信號來探測。這又是個什么玩意兒呢？

CMB是宇宙大爆炸遺留下來的微弱的光子場，大概對應著零下270攝氏度的輻射溫度，它攜帶著非常豐富的宇宙學信息，幾乎是人類認知極早期宇宙演化的唯一有效途徑。CMB的發現不僅在半個世紀前開創了宇宙學，近年來對它的精確測量更是將人類帶入“精確宇宙學”時代。對當代宇宙學、高能物理及基礎物理學最前沿問題，例如宇宙加速膨脹、“暗物質”、“暗能量”的研究都起到了核心作用。

CMB的B模式極化信號是原初引力波在宇宙的大尺度上留下來的特征信號，如果2014年BICEP2實驗看到的B模式信號被證實，將是首個觀測到引力波對物質的直接作用的實驗。可惜后來更多數據和儀器的結果顯示，雖然測量結果本身沒有問題，但探測到的是我們自身銀河系的前景信號，而并不是來自于宇宙早期。

此前發現的B模式特征

阿里原初引力波實驗

此次LIGO實驗的重要意義在于在LIGO的工作頻段證實引力波的存在，也就是說，引力波在其他廣泛的頻段都應該存在，而不同頻段的探測對應完全不同的科學目標，在對應這些引力波頻段的探測上建造領先的實驗裝置，就會在未來的引力波科學大發現上占據先機。

原初引力波作為唯一的來自宇宙最早期的引力波信號告訴我們極為重要的關于宇宙誕生之初的物理學過程，對它的探測是引力波物理、宇宙學、高能物理的下一個重大科學突破。原初引力波一旦被探測到將揭開探索早期宇宙的新篇章。

由于科學目標不同，原初引力波不同于黑洞產生的引力波，所以探測的方式是通過對宇宙微波背景輻射的觀測實現的，跟LIGO的探測原理完全不同。原初引力波的探測需要通過對CMB的觀測，尋找CMB當中的B模式極化信息。目前為止，地面上開展的CMB觀測集中在發展相對成熟的智利天文臺和美國南極科考站兩個臺址。北半球一直沒有相應的CMB實驗得以開展，原因就在于沒有找到合適的、跟智利和南極站址觀測條件相比擬的北半球臺址。

我國正在計劃開展的西藏阿里原初引力波實驗，利用阿里地區獨特的地理氣象條件，將實現首次對北半球可見天區的原初引力波搜尋，是我國獨具特色的引力波研究項目。比如美國本土無法開展類似的探測活動，只能通過美國在南極的科考站，或者借助智利的天文平臺進行南半球的觀測活動。阿里項目中我們使用的是一臺微波波段的望遠鏡，通過極其敏感的探測元器件，排除地球大氣和銀河系的干擾，搜尋從137億年前跨越整個宇宙傳播到我們的宇宙微波背景輻射。望遠鏡為了盡量避開環境和大氣的干擾，放在海拔5100多米的西藏阿里地區獅泉河附近的山頂。

阿里計劃

引力波被LIGO首次直接探測到，證明了引力波的存在，我們可以滿懷信心地去尋找不同波段的引力波，就像不同波段的電磁波譜一樣。阿里計劃是尋找頻率最低的宇宙誕生之初產生的引力波，探測到它是下一個引力波領域、宇宙學、高能物理的重大突破。我們現在更有信心去探尋原初引力波。

期待未來

科學上講引力波的發現為我們打開了研究宇宙的全新窗口。射電、光學、紅外、紫外、X射線、伽馬射線等等不同的電磁波譜研究宇宙都是來自于光子攜帶的信息，引力波攜帶著與電磁波截然不同的信息，將為我們揭示宇宙新的奧秘，比如黑洞與黑洞并合時的物理過程。宇宙大爆炸時發出的原初引力波，如果被探測到將為我們揭示宇宙誕生之初的奧妙。至于對人們平常的生活到底會有多大影響，我們大概不會比一百年前，人們剛發現電磁波時候的想象力好太多，引力波到底能多大程度上改變人類的生活，讓一百年后我們后裔們去體會吧！

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