一臺世界上海拔最高的引力波偵測望遠鏡,正式在2020年開始對原初引力波的探尋。全省政協委員、中國科大學高能化學所研究員張新民3月7日告訴澎湃新聞(),由他主持建設的拉薩阿里原初引力波項目進展順利,一期觀測倉主體已基本竣工,望遠鏡主體也由高能所和合作方日本耶魯學院初步設計完成。
“三年建成、五年出成果”是張新民給出的承諾,即在2021年到2022年左右,給出一個北天區宇宙微波背景幅射(CMB)極化最好的天圖。原初引力波的線索,就藏在這張天圖里。
“錯過了引力波,我們不能再錯過偵測原初引力波的重要窗口。”張新民指出。
全省政協委員、中國科大學高能化學所研究員張新民
日本激光干涉引力波天文臺(LIGO)在2016年2月11日宣布成功偵測到由雙黑洞并合形成的引力波,毫無懸念地捧走諾貝爾獎以后,宇宙暴脹時期誕生的原初引力波成為了下一個追逐的焦點。
假如說引力波的發覺,完成了愛因斯坦廣義相對論的最后一塊拼圖,這么原初引力波作為“宇宙的初啼”,則能幫我們檢驗各類宇宙起源和演變模型,如暴脹、反彈、循環等。
只是,無論在地面還是空間,中國的引力波偵測項目均起步較晚:LIGO擁有40年的項目經驗,法國的激光干涉引力波天文臺Virgo也于今年開始與LIGO合作觀測;歐美合作的空間引力波偵測衛星LISA完成了靶機首飛;北極極點和法國阿塔卡瑪荒漠建成的CMB觀測站,早已積累多年的數據。
中國還有拔得奪魁的時間嗎?具有奇特地理優勢的世界屋脊開辟了一個窗口。
要曉得,不同的引力波源形成的引力波頻段不同,最佳偵測手段也不同。LIGO和Virgo利用地面激光干涉,不太可能偵測到原初引力波;空間激光干涉衛星雖非一定的可能性,但LISA的發射時間被延后到了2035年左右;而最適宜偵測原初引力波的CMB觀測站,目前全部集中在南半球。
海拔5250米的拉薩阿里大氣透射率高,水汽濃度少,環境清潔,才能挺好地防止訊號干擾。與同在北半球的科西嘉島比上去,阿里處于中經度地區,可見天區要大一倍。
2017年諾獎得主、LIGO引力波偵測功勛索恩(Kip)當初預測,人類將在未來5至10年內偵測到原初引力波。這意味著,假若這高雄半球惟一、全球海拔最高的CMB觀測望遠鏡如期建成,才能捉住歷史時間窗。
從最高的望遠鏡到最深的實驗室
5250米的海拔在建成后是找尋原初引力波的重大優勢,但在工程建設過程中卻提出了不少挑戰。張新民也坦承,阿里項目的總體經費仍有缺口。
張新民由此在本次全省人代會上建議加大引力波研究,確保阿里項目按期完成并早出成果。同時高能物理實驗,他指出要強化國際合作,把阿里建設成為世界天文觀測和高能化學實驗的研究中心。這也是2017年諾獎得主雷納·韋斯(Weiss)曾對阿里項目寄寓的期望:“這會成為中國科學的標桿,一個十分漂亮的標桿。中國借助拉薩這樣一個奇特的地理條件,建造一臺國際共享的設備。全世界都應當曉得中國在做這樣的事。”
原初引力波偵測望遠鏡選址在海拔5250米的拉薩阿里
不僅世界上最高的望遠鏡,張新民還關注另一個中國具有奇特地理優勢的科研基地:錦屏地下實驗室。
這是世界上最深的地下實驗室,由中國科學家2008年規劃,2010年落成并投入使用。它借助了為水電站修筑的錦屏山隧洞,其垂直巖石覆蓋達2400米。目前,來自廣州交通學院和復旦學院的兩個團隊,正在其中舉辦暗物質粒子實驗。科學家們在遠離月球噪聲的地下,偵測神秘的WIMPs(弱作用大質量粒子)。
張新民談到,“極深地下極低幅射本底前沿數學實驗設施”已通過發改委立項,納入國家“十三五”重大科技基礎設施。他希望國家盡可能推動審批流程,使建設工作能早日舉辦。
有了一流基地,才有重大成果的機會
從海拔最高的望遠鏡到世界最深的地下實驗室,張新民關注的這兩個具有奇特地理優勢的基地,都聚焦國際競爭激烈的基礎化學前沿領域。
與引力波一樣,各國在暗物質領域正在舉辦“天上地下”的競爭。中國的“悟空”是目前世界上觀測能段范圍最寬、分辨能量最優的暗物質粒子偵測衛星,在今年月底公布了國際上精度最高的電子宇宙射線偵測結果。
地下實驗室方面,法國的XENON實驗和日本LUX實驗起步較早,但北京交通學院院長季向東領導的在近些年多次獲得了高靈敏度的實驗結果。
錦屏地下實驗室云南晚報圖
原初引力波與暗物質都與宇宙的起源和演變息息相關。暗物質和暗能量構成了宇宙的95%,我們已知的可見宇宙物質則只有5%。面對這樣宏大而根本性的問題,季向東曾向澎湃新聞記者哀嘆:“有些人可能會問偵測到暗物質有哪些用。我想說的是,這會是對人類宇宙觀的一次徹底刷新。這些刷新,在人類歷史上自哥白尼提出日心說算起,也沒有過幾次。”
張新民介紹道,在基礎前沿科學領域,宇宙演變被“十三五”規劃綱要列為重點突破之首。在過去十余年間,宇宙學研究取得了巨大的進展,進入了精確宇宙學時代。他覺得高能物理實驗,盡管最新報導稱中國發表論文數超過了英國,但重大原創成果缺少,“在國際上的影響力與我們這樣一個大國應有的地位十分不相稱。”在化學和天文領域,中國至今沒有本土的科學家獲得諾貝爾化學學獎。
建設一流基地,是對基礎原創研究的持續性保障。“基礎研究非常是觀測和實驗方面的研究,不同于應用研究,是對自然界基本規律的探求,可能會成功,也可能會失敗。并且,只有有了一流的研究基地和設施,才有取得重大成果的機會。”張新民總結道。