本年的诺贝尔物理学奖颁给了天体物理范围，其中一位获奖者詹姆斯·皮布尔斯在天地学范围作念出了好多创举性使命，在天地微波配景发射和天地结构变成有相称大的孝敬。而今天这篇著作的主角也将为这一范围推崇它的上风。阿里原初引力波探伤缠绵（简称阿里缠绵）是我国第一个大地原初引力波探伤施行丝袜 内射，将建筑一台海外一流的天地微波配景发射（简称CMB）偏振千里镜，在我国西藏阿里地区海拔5250米的台址上开展对原初引力波的精准测量，探索天地发源。

　　原初引力波过甚探伤

　　1）什么是原初引力波

　　现代天地学觉得天地始于暴涨，广义相对论预言，暴涨经过中时空剧烈的延迟将产生原初引力波，其物理实质是暴涨经过中时空自身的量子涨落。

　　暴涨预言的原初扰动为高斯飞速场，散布于通盘这个词天地当中，并不局限在某个至极的局部范围，因此，原初引力波是一类配景引力波。经过近137亿年的演化于今，它的主要频段散布在阿赫兹到飞赫兹，属于引力波眷属中频率最低的一类。它齐全不同与好意思国LIGO施行组探伤到的来自黑洞、中子星并合产生的高频引力波。

　　原初引力波是老师暴涨，过甚他的候选早期天地论，如反弹、轮回等模子，探索天地发源的独一有用路线，被誉为现代天地学的圣杯（Holy grail of cosmology）。海外上，原初引力波于今未被不雅测到，是天地学一大热门前沿。

　　图1：探伤原初引力波，记忆早期天地论（图片来自网罗）

　　2）原初引力波的探伤

　　由于原初引力波的存在，将影响光子在临了散射面上的散布，从而会在CMB上留住至极的钤记——原初B方法偏振，因此，对CMB B方法偏振的精准测量为探伤原初引力波提供了有用路线。

　　图2：呈四级矩散布的光子与电子发生散射产生CMB光子的线偏振（图片来自网罗）

　　CMB光子呈黑体散布，今天温度为2.73k，对CMB 的不雅测主要衔尾于微波波段。微波施行不错通过空间卫星、高空气球及大地微波千里镜开展不雅测。自1965年微波配景被发现以来，如故先后有三代空间卫星，COBE【1】、WMAP【2】及Planck【3】对CMB给出了精准测量，气球施行BOOMERanG-98、MAXIMA等，于本世纪初发轫提供了大模范上对CMB功率谱的高信噪比测量，并给出平坦天地的测量效果【4】。之后的WMAP和Planck对温度功率谱更为精准的测量，进一步老师了轨范天地学模子，顺利将天地学计划鼓动到精准天地学期间。

　　对CMB偏振的精准测量，探伤原初引力波是该计划范围下一个紧要中枢科学方针。但是，在Planck卫星之后，面前尚未有立项的空间CMB卫星技俩。而大地CMB不雅测，以其精度高、建筑周期短、老本较低，风险小等上风将成为近期计划的主要技巧。

　　大地CMB探伤施行如故给出对微波光子偏振的精准测量。2002年，位于南极的DASI施行【5】发轫测量到E方法偏振，其后被WMAP施行进一步考据。位于南极顶点的BICEP/KECK千里镜给出面前对B方法偏振最为精准的测量【6】，与刚刚松手不雅测的Planck卫星的调理数据分析获得对原初引力波的上限为r< 0.07 (2\σ)【7】。

　　面前正在开展不雅测的CMB施行包括BICEP/KECK、POLARBEAR【8】、ACT【9】、SPT【10】等，正在建筑的有Simons 【11】天文台，以及正在计较好意思国CMB S4【12】缠绵等，均散布在南半球的南极顶点和智利的阿塔卡玛沙漠台址。我国的阿里原初引力波探伤缠绵是面前北半球的大地施行，主要科学方针为原初引力波以及老师CPT对称性。

　　图3：南极顶点的CMB不雅测施行（图片来自网罗）

　　图4：智利阿塔卡玛沙漠的CMB不雅测施行（图片来自网罗）

　　3）大地原初引力波探伤对不雅测环境要求冷酷

　　大地CMB探伤对台址不雅测环境要求冷酷，需要极高的大气透射率。大气中所含水汽是CMB 偏振不雅测的主要噪声开首，水汽不仅接收CMB 光子，况且在CMB 不雅测的微波频段产生大批噪声发射。海拔高、大气干燥是对CMB不雅测台址的基本要求。

　　基于行家大气模子及风景数据分析效果【13，14，15】露馅，地球上不错开展CMB不雅测的台址包括南半球的南极、智利的阿塔卡马，和位于北半球的我国青藏高原以合格林兰岛。面前，如故完成或正在开动的以探索原初引力波为主要科学方针的大地CMB偏振施行齐位于南半球的南极或智利，无法隐藏北半球天区。

　　图5. 大气透射率

　　我国青藏高原位于冈底斯山脉西部，喜马拉雅山脉东侧背风面，冬季尤其干燥。阿里地区地域机动，地貌丰富丝袜 内射，浩瀚的山峰为开展微波探伤提供了理念念的不雅测条目。诳骗NASA风景卫星数据已往几十年积攒的风景数据的分析【15】，效果露馅阿里台址在不雅测季，从每年10月至次年3月间，大气平均水汽含量约1毫米傍边，保证了开展微波波段不雅测所需的大气透射率，其不雅测条目与智利天文台极度（图6）。

　　图6 ：舆图，图中边幅暗示各地水汽的大小

　　从开展CMB不雅测方面谈判，阿里地区处于最理念念的中纬度区域，充分诳骗地球自转，可见天区隐藏接近全天的65%，利于开展大天区扫描。并能很好地与南半球已有的不雅测台址互补，有助于收尾由大地探伤CMB的全天隐藏。基于Planck已有的高频测量效果露馅，北半球天区存在大片出息发射低的干净天区（图7）。对准干净天区进行深度扫描，有助于最初发现原初引力波，同期隐藏部分南天，与现存南半球施行变成有劲的互补，利于不同施行间的交叉老师。

　　图7：阿里、南极和智利台址可隐藏天区统计

　　阿里原初引力波探伤缠绵

　　1）技俩建议

　　阿里缠绵于2014年由中科院高能所张新民团队建议，2016年正经立项，获得了中国科学院多波段引力波不雅测计划专项，国度基金委济急处分技俩及科技部政府间海外科技转变协作要点专项的资助【16，17】。阿里缠绵将充分诳骗青藏高原的海拔上风，建成寰宇上海拔最高的原初引力波不雅测站，绽开北天大地原初引力波不雅测的新窗口，开展对CMB偏振的精准测量，并与南半球台址在地域上变成有意的互补，成为大地CMB探伤的三大基地之一。

　　2）阿里原初引力波不雅测站建筑近况

　　阿里原初引力波不雅测站海拔5250米，经过两年多的发展，已完成台址基础建筑（图8）。不雅测站地处狮泉河镇以南约20 千米，紧邻国度天文台下属的阿里天文台A1点，两者直线距离约2千米，通勤便利（图9）。A1海拔5100 米，自2009 年建成以来，经过国度天文台的发展建筑，如故相对教诲、初具范围，为开展科学施行提供必要的物资和后勤保险条目。

　　图8：阿里原初引力波台址近况图

　　图9 阿里原初引力波不雅测站（B1）与阿里天文台（A1）

　　3）阿里一号千里镜（AliCPT-1）

　　阿里技俩前五年（2016—2021年）将衔尾于Ali CMB Polarization telescope -1号千里镜（简称 AliCPT-1）的建筑、不雅测及相关的科学计划。AliCPT-1是一台口径为72cm的CMB偏振千里镜，包括两个频段，95GHz和150GHz，是一台现时海外一流的CMB偏振千里镜。

　　AliCPT-1将领受对微波信号极其贤慧的超导边际相变探伤器（transition edge sensor，简称TES）。TES是现时主流的CMB千里镜探伤器，主要诳骗超导材料在临界温度的相变效应来收尾对接纳到的微波发射信号的计量。跟着探伤器工夫的发展，面前科学家们如故好像将上千个TES探伤器集成在一个4到6英寸的模板上，作成探伤器模块，摆放到千里镜的焦平面上，来开展对微波信号的精准测量。AliCPT-1焦平面上将摆放约7000个探伤器，是面前正在南极顶点开展不雅测的BICEP3千里镜探伤器数认识2.7倍，其探伤贤慧度不错达到纳K量级。

　　图10：千里镜与基座举座图（来自AliCPT-1协作组）

　　4）AliCPT-1科学方针

　　AliCPT-1千里镜是通过精准测量2度傍边角模范范围上（CMB多极散布在l~50至300傍边）的CMB B方法偏振角功率谱来探伤原初引力波的。表面上，天地早期再复合经过变成的原初BB谱在这个模范上信号最强，同期，在这个模范上，由于CMB Lensing 带来的B方法偏振信号不占主导。因此，在2度模范上开展对BB角功率的精准测量为探伤原初引力波提供了绝佳窗口，AliCPT-1号千里镜恰是对准l~100傍边的天地再复合峰开展精准测量，从而探伤原初引力波。

　　图11：表面模子预言的T、和E、B方法功率谱图

　　AliCPT-1还将开展B方法偏振相关的天地学计划，举例：通过对EE偏振功率谱及EB交叉功率谱的精准测量，开展对CMB偏振旋转角的测量，老师CPT对称性及相关天地学计划。同期，缠绵与位于北天的光谱巡天技俩DESI开展彼此关计划。

　　5）海外协作

　　阿里技俩是一个海外协作技俩，面前的成员包括来高傲能所、国度天文台、斯坦福大学、法国CNRS APC施行室、北京师范大学、国立台湾大学、上海交通大学、中国科大、山东大学、华中师范大学等单元的学者近100东谈主。

　　图12：AliCPT-1协作组会合影

　　6）阿里技俩下一步缠绵

　　面前AliCPT-2号千里镜正在计较之中，为下一个五年内的主要计划方针。AliCPT-2将填满现存AliCPT-1焦平面上预留的19个模块，届时探伤器数量将达到30，000以上，与面前阿塔卡玛的Simons天文台极度。同期，还缠绵研制更大口径的CMB 偏振千里镜，开展更多频段的不雅测，并在CMB Lensing扣除和出息分析才能上大幅栽种，其科学方针将扩展包括中微子质料、暗能量物理实质等天地学计划。

　　Reference：

　　【1】https://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe/

　　【2】https://map.gsfc.nasa.gov/; WMAP collaboratioin， Astrophys.J.Suppl. 208 (2013) 19

　　【3】_Activities/Space_Science/Planck; Planck Collaboration， arxiv:1807.06205

　　【4】A. Jaffe， et al. Phys.Rev.Lett.86:3475-3479，2001

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　　【5】J. Kovac， et al. nature420 (2002)， 772

　　【6】https://www.cfa.harvard.edu/CMB/keckarray/

　　【7】The Keck Array and BICEP2 Collaborations， Phys. Rev. Lett. 121， 221301， 2018

　　【8】

　　【9】https://act.princeton.edu/

　　【10】https://pole.uchicago.edu/

　　【11】https://simonsobservatory.org/

　　【12】Kevork N. Abazajian， et al. arxiv:1610.02743

　　【13】Quan-Zhi Ye， Meng Su， Hong Li， Xinmin Zhang， arxiv: 1512.01099;

　　【14】Chao-Lin Kuo， Astrophys.J. 848 (2017) no.1， 64;

　　【15】Y.Li， Y.Liu， S.Li， H.Li and X.Zhang， arxiv:1709.09053.

　　【16】Hong Li， et al. Natl.Sci.Rev. 6 (2019) no.1， 145-154；

　　【17】Hong Li， Si-yu Li， Yang Liu， Yong-ping Li， Xinmin Zhang， Nat.Astron. 2 (2018) no.2， 104-106.

　　作家：李虹，中科院高能物理计划所计划员，主要从事天地学计划，现时计划范围为探伤原初引力波丝袜 内射，探索天地发源。

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