原初引力波与阿里探测计划-高能物理研究所.pdf

原初引力波与阿里探测计划 张新民 苏萌 李虹 李明哲 蔡一夫 2016 年3 月公布的我国 “十三五”规划纲要中列入了“强化宇 宙演化、物质结构、生命起源、脑与认知等基础前沿科学研究”，从 国家科技发展的战略高度肯定了宇宙演化等基础前沿科学的重要性。 不久前的2016 年2 月11 日，LIGO 实验组和美国自然科学基金委员 会联合宣布探测到来自于十三亿年前由两个黑洞并合产生的引力波, 这是人类第一次直接探测到引力波，可谓一项里程碑式的发现。 ▍一、引力波源及其探测方式 引力波源大体可分为两种，天体物理起源和宇宙学起源。对应不 同的波源，相应的探测方式也不一样，如图1 所示。 图1，引力波的源及相应的探测方式 （图片来自NASA Goddard Space Flight Center） ▍ （一）天体物理起源的引力波及其探测 天体物理起源包括以下三类： （1）中子星、恒星级黑洞等致密天体（几十个太阳质量左右） 组成的致密双星系统的合并过程。这类引力波的频率处于 10 赫兹- 1000 赫兹量级的高频段，相应的探测手段是地面激光干涉仪。与迈 克耳孙干涉仪一样，在引力波激光干涉仪中激光被分裂成两束后在两 个垂直的臂中传播并发生干涉。当引力波经过时，局部的时空发生变 形，两个臂的相对长度会发生改变，相应地激光干涉条纹就会移动。 此类实验最具代表性的就是 LIGO，利用长达 4 千米的两个互相垂直 的探测臂首次探测到了引力波信号。 （2）大质量黑洞并合过程的后期、银河系内的白矮双星系统。 频率为10−5赫兹 -1 赫兹，这类引力波信号可通过空间卫星阵列构成 的干涉仪来探测，如欧洲的eLISA 计划。 （3）超大质量黑洞（数百万到数亿太阳质量）并合。频率为10−9赫 兹 -10−6赫兹，探测手段是脉冲星计时，即利用地面上的大型射电望 远镜，监视校准后的若干毫秒脉冲星。如果其附近有大质量黑洞并合 时发出的引力波，这些毫秒脉冲星的脉冲频率会有变化。国际上 20 世纪70 年代就开始这方面的研究，90 年代已获得诺贝尔奖，我国在 这方面有计划运行的FAST 实验。 综上所述，天体物理过程产生的是高频引力波，相应的探测装置 覆盖的频率范围在10−9赫兹以上。 ▍ （二）宇宙学起源的原初引力波及其探测 除了天体物理起源以外，在宇宙的早期剧烈的量子涨落会产生充 满整个宇宙空间的引力波，称之为原初引力波。自1940 年代以来， 经典热大爆炸宇宙学取得了巨大的成功，其预言的宇宙轻元素丰度、 宇宙微波背景辐射等均被实验证实，其中关于微波背景辐射的研究成 果还两度获得诺贝尔物理学奖。但是大爆炸宇宙学本身并不完善，存 在平直性疑难、视界疑难以及大尺度结构起源等困惑。为了解决这些 困惑人们提出了暴胀、反弹宇宙、循环宇宙等多种关于早期宇宙的理 论或模型。这些理论模型的共同点是在辐射为主时期以前宇宙经历了 一段极度非平凡的时期。以暴胀为例，在暴胀期间宇宙急剧膨胀，支 持暴胀的物质场的真空量子涨落得到增强并迅速扩张到视界外形成 大尺度上的原初密度扰动。暴胀结束后宇宙进入减速膨胀的辐射为主 时期，并按照经典大爆炸宇宙学理论那样演化至今。存在于视界外的 原初密度扰动又重新进入视界，在物质的引力不稳定性作用下，生成 今天的大尺度结构和微波背景辐射的各向异性。但是暴胀宇宙学的一 个重要预言是除了标量型的原初密度扰动以外，宇宙时空本身的真空 量子涨落也会迅速扩张到视界外形成张量型的原初扰动，即原初引力 波。暴胀结束后，一部分原初引力波又逐渐进入视界。因为暴胀发生 在整个可观测宇宙中，原初引力波在宇宙中处处存在，形成引力波背 景并遗留至今。原初引力波与暴胀期间的物质成分没有直接关系，是 纯时空涨落，而且是一种量子效应。因此,探测原初引力波一方面有 利于研究暴胀这样一个极高能标的早期宇宙动力学过程，另一方面它 是引力（即时空）的量子产物，有助于推进人们对量子引力这些基本 物理问题的理解。 原则上原初引力波在各个频段都有分布，但是随着宇宙的膨胀， 不同频段的原初引力波的演化行为并不一样。它决定于如下的引力波 方程： 方程左边的ℎ表示引力波，是衡量宇宙大小的标度因子，τ是 共形时间，是牛顿引力常数，撇号表示对时间的导数，后面将要提