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李虹:在世界屋脊傾聽宇宙的初啼
2018-09-05 |文章来源: SELF讲坛| 浏览次数:  |

  宇宙的誕生一直吸引著人類探索的目光,引力波的發現終于拼好了廣義相對論的版圖,而他們的腳步從未停下,他們登上了世界屋脊,用引力波探聽宇宙的起源,傾聽宇宙的初啼。中科院澳客物理研究所研究員李虹在中科院SELF講壇向我們講述了原初引力波與阿裏計劃的故事。

[video:李虹:在世界屋脊傾聽宇宙的初啼]

 

李虹 中科院澳客物理研究所研究员

  以下內容爲李虹演講實錄:

  大家下午好!我是李虹,來自中科院澳客物理研究所,今天非常榮幸在SELF講壇與大家一起分享我在宇宙學和原初引力波探測方面的研究和體會。我今天給自己的任務就是用最接地氣的語言給大家傳遞你們想要的最好的信息。

  我今天演講的題目是“站在世界屋脊聆聽宇宙的初啼”。我個人非常喜歡這個題目,因爲它告訴我們,我們要探索的這個神秘的信號來自宇宙,這個信號是在宇宙誕生的時刻就發出的,它是一件非常酷的事情。

  什麽是初啼呢?顧名思義,孩子在降生的時候哇哇啼哭,在門外焦急等待的父親聽到啼哭聲,就知道孩子出生了。宇宙也一樣,一旦我們聽見了宇宙的初啼,聽見了宇宙的第一串聲音,我們就會知道宇宙在誕生時刻的奧妙。

  我們的宇宙已經138億年了,138億年前發出了一個聲音,今天我們要想去探聽到它,一定是一件非常具有挑戰性的事情。俗話說,“站得高,望得遠”,同樣,站得高我們也能聽得更遠,所以我們要登上世界屋脊去探聽來自浩瀚宇宙當中最遙遠、最神秘的聲音。

  宇宙的初啼到底是什麽?我們怎麽去探聽呢?這就是我們今天要講的重點內容——探索原初引力波。

  下面我們一起開啓原初引力波的探索之旅。原初引力波,顧名思義是引力波的一種,所以首先我們要搞清楚什麽是引力波,大家都知道引力是自然界中一種基本的相互作用力。牛頓力學告訴我們地球圍繞著太陽轉是因爲地球受到了來自太陽的萬有引力的相互作用。但我們知道牛頓力學並非是描述宇宙的終極理論。

  100年前,愛因斯坦提出的廣義相對論是更爲基礎的理論,在廣義相對論中並不存在絕對的萬有引力,地球爲什麽繞著太陽轉?因爲太陽相對于地球來說是一個大質量的天體,由于這個大質量天體的存在,我們的宇宙、時空發生了彎曲,地球在這樣一個彎曲的時空當中走了一條最經濟的道路,沿著側地線運動,就形成了我們看到的地球繞著太陽轉的引力體系,引力波就起源于引力相互作用。

  到底什麽是引力波?如果宇宙中發生了一些引力擾動事件,比如說兩個大質量的天體,兩個黑洞或兩個中子星發生了相互的繞轉,並且越轉越快,最後它們要並合,在這個過程中大質量天體會導致時空的扭曲,當它們加速運動時,扭曲的時空會以波動的形式向外傳遞。

 

  這個動圖告訴我們扭曲的時空以波動的形式向外傳遞,一份能量以波動的形式向外抛射便産生了引力波。愛因斯坦在提出廣義相對論的時候,就給出了一個理論預言:引力波存在。但是當時基于這個理論計算出它非常小,所以愛因斯坦本人也認爲我們可能無法探測到它。

  在過去的一百年中,人類科學探索的腳步從來都沒有停止過,很多預言都得到了證實,比如光線的彎曲、水星近日點的進動、引力紅移現象等等,可以說廣義相對論得到了很全面的驗證,唯獨引力波一直停留在科學家的視線之外。

  雖然從上世紀50年代末期,人們已經開始嘗試用工具去探索引力波,但是一直沒有成功。一直到2016年初,位于美國的LIGO合作組宣布他們探測到了兩個黑洞並合産生的引力波,震動了全世界,因爲廣義相對論的最後一片拼圖終于被拼上了。

  LIGO是怎樣探測到引力波的?首先我們要搞清楚引力波到來的時候,我們的時空以及時空上的物質會發生什麽樣的變化,大家請看這個動圖,當一束引力波穿過時空的時候,時空會怎樣改變。它會在一個方向拉伸,另外一個方向壓縮。

  我們知道宇宙中所有的物質都是依附于時空存在的,當時空被壓縮和拉伸的時候,物體也會跟著發生形變。所以形象地說,如果引力波向你迎面傳來,你想變瘦、變高就不再是夢想了。但是緊接著你又會變矮、變胖。

  LIGO正是利用這個效應探測到了引力波,LIGO用了兩個四千米長的垂直的懸臂,在懸臂中間有兩束由分光鏡分開的激光,它們是處于幹涉狀態的,如果沒有引力波存在,激光會一直在懸臂的鏡子裏反射,接觸面板上並不會接收到任何的信號,但當引力波到來的時候,引力波會在一個懸臂拉伸,另外一個懸臂壓縮,懸臂當中的激光會隨之發生變化,本來兩束幹涉相消的激光不再幹涉相消,我們就探測到了引力波的信號。

(视频来自 LIGO实验室)

  在視頻我們以兩顆中子星的並合爲例,向大家展示。兩個中子星繞轉了,將有引力波釋放出來。這些網格就是形象地描述時空的結構,引力波出來之後,大家會看到它們越轉越快,最後並合了,引力波被抛射出來。

  這是LIGO的兩個相互垂直的懸臂,懸臂中間有兩束激光,由于激光幹涉相消,右邊的面板上看不到信號。一旦出現了引力波,面板上將會出現激光幹涉不相消的信號,于是我們就探測到了它。

  根據LIGO探測到的信號,我們地球的形變到底有多少呢?質子直徑的萬分之一。這就是爲什麽人類探索了60年,才得以探測到它,它太微小了。LIGO因爲這件重大的科學發現被授予2017年諾貝爾物理學獎,世界爲之而歡呼。

  但我們要看到它的背後到底蘊含著什麽意義,LIGO探測到引力波爲什麽這麽重要?原因就是人類又重新掌握了一種全新的認識宇宙的手段和方法。

  掌握了电磁波的技术以后,人类又从光学波段一直把望远镜推广到红外、紫外、射电X-Ray Gamma-Ray波段等等,我们可以在电磁波所有的波段探测我们的宇宙。电磁波的掌握就好比人类生出了一双眼睛,我们开始看宇宙,而且看得越来越清楚。

  引力波技術的發現,是完全獨立于電磁波之外的一種新型的技術,好像人類又生出了一雙耳朵,我們已經有了眼睛,再生出兩個耳朵,我們可以聽到更多來自宇宙深處的信號,可以更好地探究我們的世界。

  既然人們探索到了引力波,聽到了第一串聲音,人們就想,怎樣才能聽得更遠,聽得最遠的聲音會是什麽樣子的?最遠的聲音來自于哪兒呢?在宇宙誕生的那一瞬間,在暴脹的過程當中,就會發出一種引力波,我們稱之爲原初引力波。這起源于當代宇宙學的熱爆炸理論,人們認爲宇宙起源于一個很小的體積,暴脹的過程就是一個時空劇烈增長的過程,在圖的左邊用黃色區域標出來的。

  在暴脹的過程當中,時空會産生擾動,時空自身的漲落就會産生引力波,這就是我們要探聽的宇宙的初啼,即原初引力波。形象地說,原初引力波就是宇宙在誕生的時候突然喊了一聲,這個聲音一直消之不去,就像人們在大山裏發出聲音,回聲一直在山谷中間回蕩一樣,宇宙的第一聲啼哭也會形成一個背景的聲音,一直在我們的宇宙中存在,隨著宇宙的演化不斷在紅移,越來越微弱,但是它一直存在。

  我們一旦探索到了原初引力波,就能反推到宇宙誕生的時候,到底是怎樣一個動力學,就可以研究宇宙的起源。

  到今天宇宙的初啼的信號已經變得非常地微弱,再用LIGO那種懸臂的方式探測已經遠遠不夠了,因爲我們的宇宙已經演化了138億年,到今天這個信號已經非常地微弱,如果我們再用懸臂的方法探測它,可能這個懸臂要長到宇宙這麽大的尺度。

  所以我們需要一種全新的探測手段,我們需要到宇宙中尋找一種古老的化石,這種古老的化石在空間中有一種特殊的分布,這個分布可能是由原初引力波造成的。因此我們去精確地測量化石在宇宙中的分布,就可以尋找原初引力波的蛛絲馬迹。

  這種神秘的化石是什麽呢?它就是宇宙微波背景輻射光子,我們稱之爲CMB光子。到底什麽是CMB?它是怎麽形成的?爲什麽說它是宇宙留下來的神秘的化石?

  這要從宇宙的熱力史說起,這個圖描述了宇宙的演化,是從小到大的一個過程。早期的宇宙是非常炙熱的,它並不像我們今天看到的很有序的樣子,因爲我們現在看到的宇宙已經是冷卻下來的狀態。早期的宇宙就像一鍋沸騰的開水一樣,宇宙的演化過程就是這鍋開水逐漸降溫的過程。

  這鍋開水特別神奇,在宇宙不同的時間,它的溫度或能標不一樣的時候,它裏面的成分也不一樣,宇宙有一個特殊的時刻,就是宇宙在38萬歲的時候,會迎來一個再複合時期,就是圖上用紅色的線標出來的時期。

  在再複合時期到來之前,宇宙中主要的成分是光子、電子、質子、中子,這些成分頻繁地發生散射,它們緊密地耦合在一起,電子和光子每天形影不離。但隨著再複合時期的到來,意味著當時的宇宙要開始形成中性的原子,大家都學過物理,知道原子中間有原子核,原子核是由中子和質子構成,原子核外面是繞著它轉的電子。

  中性原子核的形成就導致電子被中性的原子束縛起來了,光子和電子本來是形影不離的好朋友,但是電子突然消失了,它被中性的原子抓走了,光子就失去了它的好朋友,它沒有碰撞對象了,沒有耦合對象了,于是它就一直在宇宙當中孤獨地存在下去、自由傳遞,就形成了我們今天想要的這樣一種神秘的化石。

  也就是說宇宙在再複合時期,38萬歲的時候會給我們留下這樣一種剩余的熱輻射,我們就是要觀測這種熱輻射,所以我們可以一直追溯到電子和光子在最後一次發生散射的那一時刻。

  我們用白色的圈表示宇宙當中光子和電子最後一次發生散射的那一時刻,我們把它叫自由散射面。

  在最後散射面上,我們以電子爲中心去看,如果宇宙中不存在原初引力波,所有的就都是均勻的,那麽在電子周圍的四個方向可以用四個黃圈描述,這四個黃圈分布的光子是完全一樣的。

  但我們知道有原初引力波的存在,原初引力波的存在會使時空當中形成引力勢阱,會改變時空的結構,就會使得某一個方向的光子分布多一些,我們用紅色來表示,這個地方的溫度顯得高一些,在垂直的方向,這個顔色會變藍,就是溫度顯得低一些。

  在這種特殊分布的光子的情況下,電子和光子發生了一次散射,就會在CMB的光子上留下印迹,CMB光子就是我們要找的化石,我們的化石上出現了一個特殊的印迹,我們去找這個印迹,我們就可以追尋到原初引力波。

  我們現在要開始追尋這種化石,那首先我們要了解這個化石到底是什麽樣子,多不多?好不好探測?圖中我們用紅色的箭頭來描述我們周圍這種化石的分布情況。

  我們可以看到我們的地球幾乎生活在CMB的光子海洋裏面,大家會感覺好像很多,伸手就能抓到它,每立方厘米有400-500個,確實很多。但這個光子並不像想象中那麽容易抓住,因爲它非常冷。

  在退耦的時候,它的能量只有1eV(電子伏特),演化到今天,這種光子平均的溫度是2.73K(開爾文),即零下270度,是很冷的一種光子。我們去探測它的熱輻射的時候,要觀測它的輻射強度,它的輻射強度在地球上探測大概是每平方米3.3微瓦。

  對一個正常的人類來說,我們的體溫是37度,我們的身體不停地向外發生熱輻射,輻射強度是每平方米500瓦特,跟3.3微瓦比的話,你會發現這種化石的輻射強度只有人體輻射強度的一億分之一,非常地微弱,很難探測到它。

  因此我們需要一種非常敏感的探測器,它有多敏感呢?我給大家舉一個例子。我們要探測的化石是一個熱輻射,大家知道一個火堆會不停地往外發生熱輻射,如果有一個火堆,把你的眼睛蒙上,你的手就是一個非常靈敏的探測器,你一伸手就能知道火在哪兒,探測到它。

  但如果用你的手再去感知你身體的溫度的時候,比如說有人發燒的時候,用手去測量體溫已經不夠了,這個時候我們就需要用溫度計來測量身體體溫的漲落。所以對于零下270度微弱的熱輻射,我們需要超級靈敏的探測器。

  幸運的是,通過對超導材料的研究我們已經掌握了一種超導邊緣相變探測器,我們稱之爲TES探測器。這種探測器非常敏感,它可以探測到毫開爾文量級甚至以下的溫度的漲落,所以我們把它放在望遠鏡裏面做成微波望遠鏡,我們就可以用它來測量這種剩余的輻射,也就是我們所說的CMB光子。

(资料来自 约翰霍普金斯大学克里格文理学院)

  我們的項目組叫作阿裏原初引力波探測計劃,正是要在阿裏地區放置一台靈敏的望遠鏡來探測原初引力波。動圖裏是我們的望遠鏡工作的過程,就像電視調頻一樣,它經過一系列的尋找,最終會集中到微波波段。它的眼睛裏面看到的都是CMB波段的信號,然後它會進行掃描,測量出這種化石在空間中的分布,我們再在這個分布圖上去尋找原初引力波的蛛絲馬迹。

  現有的地面原初引力波探測基本都分布在南半球,在智利的阿塔卡馬沙漠、美國南極極點就有幾個。我們的阿裏計劃是北半球第一個地面原初引力波探測實驗,也是我國的第一個地面原初引力波探測實驗,我們的目標是實現北半球第一次對天空的掃描,給出最精確的測量。

  在地球上開展這種原初引力波探測會受地球附近大氣層的影響,所以它對台址條件的要求非常苛刻,我們需要台址足夠高,大氣層足夠稀薄,而且大氣要足夠幹燥,使得它在微波波段的透射率非常強,讓信號能夠投射過來,同時要使空氣産生的噪聲足夠小。所以我們一定要上到高處去,西藏阿裏地區地處喜馬拉雅山脈,大氣又很幹燥,給我們提供了一個絕佳的觀測條件。所以我們一定要登上世界屋脊,才有可能探測到原初引力波。

  這是我們整個計劃的科學目標,2018年年底,位于海拔5250米高度的觀測艙將建好,2020年底,我們的望遠鏡就會被研制出來,開始對天空的第一次觀測。

  這是我們對實驗的一個前期預言,我們希望通過我們的觀測能使現有的探測精度提高10倍左右的量級,爲了實現這一目標,我和我們課題組的所有成員付出了非常艱辛的努力,從前期台址的選取到中後期實驗儀器的擺放等等,每一次工作都讓人記憶猶新。

  我們曾經登到海拔近6000米的山峰,在那裏積雪是終年不化的,我們經常穿梭在無人區,去尋找台址的時候,經常要爬到非常高的地方,有很多同事渴的時候要吃地上的積雪來解渴。雖然很艱苦,但是我們也看到了喜馬拉雅山脈上最險和最峻的風景,所以我們覺得一切的付出都是值得的。

  謝謝大家對我們阿裏計劃的關注。

  SELF讲坛全称“SELF格致论道”讲坛,是中國科學院全力推出的公益讲坛,由中國科學院计算机网络信息中心和中國科學院科學傳播局联合主办。SELF是 Science, Education, Life, Future的缩写,旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展,尝试打破过去纯粹以“知识传播”为主的科普形式,专注于思想的传播,力图从思想的源头上促进公众参与科学的积极性。  


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