原初引力波——下一个引力波的重要突破口

除了天体运动、演化形成的引力波以外，还有一种更独特的引力波，它来自于宇宙诞生之初由于时空的剧烈扰动而产生的引力波的背景信号，也就是所谓的“原初引力波”信号。

大家或许还记得2014年的爆炸性新闻，南极的BICEP2实验发现宇宙诞生之初的原初引力波的证据。当时刷屏度绝对不亚于今天LIGO探测到黑洞并合引力波的新闻，轰动一时，首席科学家John Kovac被《时代》周刊选为了当年对世界最有影响的100位人物，可见这个科学成果的轰动效应。

当今的宇宙起源理论认为，宇宙大爆炸时会发生宇宙时空剧烈的暴胀过程(inflation)，时空的剧烈扰动会产生一个引力波的背景信号，也就是所谓的“原初引力波”信号。这种引力波的波长跟整个宇宙的尺度差不多大，无法用地面制造的引力波直接探测装置接收，可以通过测量宇宙微波背景辐射（简称CMB）的B模式信号来探测。这又是个什么玩意儿呢？

CMB是宇宙大爆炸遗留下来的微弱的光子场，大概对应着零下270摄氏度的辐射温度，它携带着非常丰富的宇宙学信息，几乎是人类认知极早期宇宙演化的唯一有效途径。CMB的发现不仅在半个世纪前开创了宇宙学，近年来对它的精确测量更是将人类带入“精确宇宙学”时代。对当代宇宙学、高能物理及基础物理学最前沿问题，例如宇宙加速膨胀、“暗物质”、“暗能量”的研究都起到了核心作用。

CMB的B模式极化信号是原初引力波在宇宙的大尺度上留下来的特征信号，如果2014年BICEP2实验看到的B模式信号被证实，将是首个观测到引力波对物质的直接作用的实验。可惜后来更多数据和仪器的结果显示，虽然测量结果本身没有问题，但探测到的是我们自身银河系的前景信号，而并不是来自于宇宙早期。

此前发现的B模式特征

阿里原初引力波实验

此次LIGO实验的重要意义在于在LIGO的工作频段证实引力波的存在，也就是说，引力波在其他广泛的频段都应该存在，而不同频段的探测对应完全不同的科学目标，在对应这些引力波频段的探测上建造领先的实验装置，就会在未来的引力波科学大发现上占据先机。

原初引力波作为唯一的来自宇宙最早期的引力波信号告诉我们极为重要的关于宇宙诞生之初的物理学过程，对它的探测是引力波物理、宇宙学、高能物理的下一个重大科学突破。原初引力波一旦被探测到将揭开探索早期宇宙的新篇章。

由于科学目标不同，原初引力波不同于黑洞产生的引力波，所以探测的方式是通过对宇宙微波背景辐射的观测实现的，跟LIGO的探测原理完全不同。原初引力波的探测需要通过对CMB的观测，寻找CMB当中的B模式极化信息。目前为止，地面上开展的CMB观测集中在发展相对成熟的智利天文台和美国南极科考站两个台址。北半球一直没有相应的CMB实验得以开展，原因就在于没有找到合适的、跟智利和南极站址观测条件相比拟的北半球台址。

我国正在计划开展的西藏阿里原初引力波实验，利用阿里地区独特的地理气象条件，将实现首次对北半球可见天区的原初引力波搜寻，是我国独具特色的引力波研究项目。比如美国本土无法开展类似的探测活动，只能通过美国在南极的科考站，或者借助智利的天文平台进行南半球的观测活动。阿里项目中我们使用的是一台微波波段的望远镜，通过极其敏感的探测元器件，排除地球大气和银河系的干扰，搜寻从137亿年前跨越整个宇宙传播到我们的宇宙微波背景辐射。望远镜为了尽量避开环境和大气的干扰，放在海拔5100多米的西藏阿里地区狮泉河附近的山顶。

阿里计划

引力波被LIGO首次直接探测到，证明了引力波的存在，我们可以满怀信心地去寻找不同波段的引力波，就像不同波段的电磁波谱一样。阿里计划是寻找频率最低的宇宙诞生之初产生的引力波，探测到它是下一个引力波领域、宇宙学、高能物理的重大突破。我们现在更有信心去探寻原初引力波。

期待未来

科学上讲引力波的发现为我们打开了研究宇宙的全新窗口。射电、光学、红外、紫外、X射线、伽马射线等等不同的电磁波谱研究宇宙都是来自于光子携带的信息，引力波携带着与电磁波截然不同的信息，将为我们揭示宇宙新的奥秘，比如黑洞与黑洞并合时的物理过程。宇宙大爆炸时发出的原初引力波，如果被探测到将为我们揭示宇宙诞生之初的奥妙。至于对人们平常的生活到底会有多大影响，我们大概不会比一百年前，人们刚发现电磁波时候的想象力好太多，引力波到底能多大程度上改变人类的生活，让一百年后我们后裔们去体会吧！

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