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引力波搜寻再添大手笔 非营利机构将资助新观测项目

时间:2016年05月26日 信息来源:《中国科学报》 点击: 【字体:

  西蒙斯观测台 图片来源:普林斯顿大学


万物起源是什么?宇宙的起源可能是最大的科学秘密之一,但令人惊讶的是,研究人员已经掌握了确凿证据试图解开这个谜题。弥漫在太空各个角落的宇宙微波背景辐射(CMB)是现存的最古老的光。它被释放自137亿年前,当时炙热浓密的初生宇宙冷却到光子首次能自由“旅行”。


宇宙大爆炸约38万年后到现在,这些光线一直在宇宙中穿梭。尽管已经非常古老,但可能仍保留着甚至更早之前发生的“故事”,尤其是可能有引力波的印记。在相对论中,爱因斯坦将一种跟电磁波一样的波动称为引力波,是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递。


为了寻找这些波,科学家启动了西蒙斯观测台。这一耗资4000万美元的望远镜项目,位于智利北部阿塔卡马沙漠,由总部位于美国纽约的非营利组织西蒙斯基金会资助。


“我们不知道引力波出现的水平将会有多高,但我们有一个最低水平,如果它过小,将无法测量到。”宾夕法尼亚大学宇宙学家、西蒙斯观测台发言人Mark Devlin说,“当前的实验都无法做到,而西蒙斯基金会将推动我们取得一次飞跃。”


这些原始的引力波与激光干涉引力波天文台(LIGO)之前发现的并不同。宇宙膨胀论预言了这些波的存在。该理论认为宇宙在形成后出现了戏剧性膨胀。这种膨胀在时空间产生了引力波纹。这些由宇宙大爆炸后产生的“原初”引力波发出的微弱微波信号以“B模式”被印刻在CMB上。2014年,南极天文台BICEP2合作团队曾宣称发现了该模式。但相关分析随后被证明是错误的:该信号是太阳系星际尘埃粒子形成的产物。


“我认为我们有好方法弄清宇宙膨胀是否真的发生了。”西蒙斯基金会创始人Jim Simons说。


但B模式的发现可能不会让所有人信服。该理论的怀疑者不断增多,他们认为原始引力波至今未见,已经排除了宇宙膨胀论的许多貌似最可信的版本。“我们看不到它,这点已经极为重要。如果我们继续看不见,我认为这将是一个重要的心理影响,使得人们想要看看是否有更好的想法。”普林斯顿大学物理学家Paul Steinhardt说。Steinhardt是宇宙膨胀论的创始人之一,但现在已经不再支持该理论。


不过,仍有许多天体物理学家支持膨胀理论,因为这能解释目前宇宙的许多特征,例如宇宙似乎是平的和各个方向大致相同。“膨胀论是我们当下最好的理论。对我而言,这是促使我获得更好数据的动机。我们可能会找到一些反常情况,为一个更深奥的理论指引道路。”西蒙斯观测台执行委员会成员、普林斯顿大学理论物理学家David Spergel说。


对于西蒙斯基金会的捐款,未参与该项目的Steinhardt表示,“我认为这是一个对该领域非常慷慨的捐助,无论结果如何,它都将有历史价值。这也将是一项极好的精细工作,需要非常认真。”


据悉,西蒙斯观测台将装配约5万台光聚集探测器。该项目将为未来规模更大的“CMB 阶段四”打下基础。Devlin预计,后者计划建造一个约由50万台探测器组成的射电碟形天线。


美国能源部高能物理学部门将资助“CMB 阶段四”,国家科学基金会和其他国际机构也可能参与其中。“届时,私有慈善机构和政府部门间的类似合作将继续。”Simons说。


除了西蒙斯基金会,西蒙斯观测台还获得了普林斯顿大学、加州大学圣迭戈分校和伯克利分校、宾夕法尼亚大学和劳伦斯·伯克利国家实验室的支持。


1916年,在系统阐述其广义相对论(该理论认为引力是大质量天体周围发生的时空扭曲)之后,阿尔伯特·爱因斯坦思考的一个问题是,当一个天体晃动时会发生什么。相对论发表第二年,他指出了该问题的答案,认为时空会产生涟漪,形成“引力波”,并以该天体为核心以光速向外扩散。他和其他物理学家随即开始了争论:预测的引力波是否存在,或者它仅是新数学推论结果造成的人为现象。爱因斯坦本人也曾先后若干次改变立场。


1969年,马里兰大学物理学家约瑟夫·韦伯宣布用自己发明的一个探测器发现了引力波,当该探测器受到引力波撞击时会产生“振铃效应”。然而,他的研究结果未能得到复制,并几乎遭到了所有物理学家的反对。


2016年2月11日,来自LIGO团队的科学家宣布,首次直接观测到引力波。科学家表示探测到的是由黑洞合并产生的一个时间极短的引力波信号——后来被命名为GW150914,持续不到1秒。它经过13亿年的漫长旅行,于当日抵达地球,被刚改造升级的LIGO的两个探测器以7毫秒的时间差先后捕捉到。


(作者:张章)
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