仰望星空時(shí)，你可曾想過(guò)宇宙是如何誕生的？

如今，在中國(guó)的“世界屋脊之巔”——西藏阿里，一座特殊的望遠(yuǎn)鏡正悄然運(yùn)行。它的目標(biāo)并非遙遠(yuǎn)的星辰，而是去捕捉宇宙誕生時(shí)最初那瞬間的“顫動(dòng)”，一種名為“原初引力波”的神秘信號(hào)。讓我們一起走近這項(xiàng)令人驚嘆的科學(xué)探索。

阿里風(fēng)光 供圖視覺(jué)中國(guó)

引力波：百年預(yù)言與首次“聆聽(tīng)”

1916年，愛(ài)因斯坦基于廣義相對(duì)論的框架提出預(yù)言——當(dāng)物質(zhì)發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)空會(huì)產(chǎn)生如同水波般的“漣漪”并向四周傳播，這便是引力波。理論計(jì)算表明，引力波對(duì)物質(zhì)的作用極其微弱，連愛(ài)因斯坦自己都認(rèn)為探測(cè)難度極大。

直到2015年，美國(guó)的LIGO實(shí)驗(yàn)裝置首次直接探測(cè)到了引力波，震驚世界。LIGO的實(shí)驗(yàn)裝置是數(shù)千米長(zhǎng)的“L”形懸臂，它借助激光干涉效應(yīng)，通過(guò)探測(cè)引力波拉伸與壓縮時(shí)空時(shí)，懸臂產(chǎn)生的極其微小的形變，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)引力波的探測(cè)。那次探測(cè)到的引力波，來(lái)自13億光年之外兩個(gè)黑洞的并合事件。該事件中，相當(dāng)于3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的能量以引力波的形式擴(kuò)散，跨越浩瀚宇宙抵達(dá)地球時(shí)，僅讓LIGO的懸臂產(chǎn)生了萬(wàn)分之一質(zhì)子直徑的形變！

黑洞合并引起的引力波示意圖 來(lái)源/LIGO/T. Pyle

LIGO實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)探測(cè)器 來(lái)源/LIGO

原初引力波：宇宙誕生的“第一聲啼哭”

LIGO捕獲的引力波屬于“經(jīng)典引力波”，由天體（如黑洞、中子星）的劇烈運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。而在宇宙大爆炸初期，時(shí)空劇烈量子漲落也會(huì)產(chǎn)生引力波，這就是“原初引力波”。人們形容它為宇宙誕生的“初啼”。

如果能夠探測(cè)并研究原初引力波，則能直接驗(yàn)證宇宙早期“暴漲理論”，助力人類揭開(kāi)宇宙起源與引力本質(zhì)的深層奧秘。但原初引力波是信號(hào)最微弱的一類引力波，通過(guò)構(gòu)造懸臂的方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能探測(cè)到它?？茖W(xué)家想到了另一種辦法，就是通過(guò)研究宇宙微波背景輻射（CMB）光子的極化，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)原初引力波的探測(cè)。

CMB誕生于大爆炸后約38萬(wàn)年，是宇宙中自由傳播的第一縷光，是宇宙的“嬰兒照”。正如引力波會(huì)讓LIGO懸臂產(chǎn)生定向形變，原初引力波會(huì)使CMB產(chǎn)生特定的極化現(xiàn)象（光子偏振方向的規(guī)律性分布）。這種極化分為E模式和B模式，其中B模式極化完全由原初引力波造成。

你可以這樣想象：把宇宙微波背景輻射想象成一碗水的水面，原初引力波就相當(dāng)于盛水的碗不斷地扭動(dòng)，“水面”因此激起波浪和漩渦，而其中的漩渦就是 B 模式偏振——它是引力波的獨(dú)特簽名，其他的物理過(guò)程很難產(chǎn)生。因此，通過(guò)掃描全天區(qū)的CMB光子，統(tǒng)計(jì)并分析B模式極化信號(hào)，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)原初引力波的精準(zhǔn)測(cè)量。

CMB的E模式極化示意圖

CMB的B模式極化示意圖

如何“看見(jiàn)”引力波？捕捉宇宙最古老的“光”

地球附近每平方米的CMB 光子的輻射強(qiáng)度只有3.3 微瓦。作為參照，37℃的人體每平方米輻射強(qiáng)度約為500 瓦特。由此可見(jiàn)，CMB 光子的信號(hào)非常微弱。

地面CMB 觀測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)選址有著嚴(yán)苛要求，需要考慮兩方面的因素：一是海拔。大氣層會(huì)吸收、反射光子，海拔越高，大氣厚度越薄，才能最大限度地減少信號(hào)損耗。二是低濕度?？諝庵械乃肿訒?huì)吸收微波光子，同時(shí)自身也可釋放微波信號(hào)，干擾探測(cè)精度。綜上，實(shí)驗(yàn)必須選址于極高且極干燥的地區(qū)。

在南半球，適合開(kāi)展CMB 觀 測(cè)的位置有2 個(gè)：南極、智利的阿塔卡瑪沙漠。在這兩個(gè)位置先后設(shè)立了多個(gè)CMB 望遠(yuǎn)鏡。在我們的北半球，也有2 個(gè)適合的位置：我國(guó)的西藏阿里地區(qū)和丹麥的格陵蘭島，目前只有我國(guó)于2014 年提出、2016 年啟動(dòng)的阿里原初引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)，是北半球首個(gè)宇宙微波背景輻射實(shí)驗(yàn)，與南半球的實(shí)驗(yàn)形成互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全天區(qū)的觀測(cè)。

阿里原初引力波觀測(cè)站  圖源/中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所

踏上征程：阿里的“眼睛”已睜開(kāi)

2025 年7 月，歷經(jīng)8 年艱苦研制與建設(shè)，由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭的阿里原初引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)完成一號(hào)望遠(yuǎn)鏡的安裝調(diào)試，并成功驗(yàn)證裝置核心指標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)一期工程建成并順利實(shí)現(xiàn)“首光”觀測(cè)，成功獲取月球與木星輻射的150GHz 頻段清晰圖像，這標(biāo)志著我國(guó)在原初引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域邁出了關(guān)鍵一步。

站在世界之巔，阿里的望遠(yuǎn)鏡正靜靜地凝望著深邃的宇宙背景。它追尋的，是138 億年前那場(chǎng)開(kāi)天辟地的大爆炸的微弱回響。這場(chǎng)追尋不僅是為了驗(yàn)證宏偉的宇宙學(xué)理論，更是人類對(duì)自身起源好奇心的終極延伸。我們期待，在不遠(yuǎn)的未來(lái)，這雙位于“世界屋脊之巔”的“明眸”，能夠穿透時(shí)空的迷霧，首次捕捉到原初引力波的直接證據(jù)，為人類理解宇宙的誕生寫(xiě)下來(lái)自東方的精彩注腳。

阿里原初引力波一號(hào)望遠(yuǎn)鏡俯視圖  圖源/中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所

文/ 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 趙靜宜