仰望星空時，你可曾想過宇宙是如何誕生的？

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

阿里風(fēng)光 供圖視覺中國

引力波：百年預(yù)言與首次“聆聽”

1916年，愛因斯坦基于廣義相對論的框架提出預(yù)言——當物質(zhì)發(fā)生劇烈運動時，時空會產(chǎn)生如同水波般的“漣漪”并向四周傳播，這便是引力波。理論計算表明，引力波對物質(zhì)的作用極其微弱，連愛因斯坦自己都認為探測難度極大。

直到2015年，美國的LIGO實驗裝置首次直接探測到了引力波，震驚世界。LIGO的實驗裝置是數(shù)千米長的“L”形懸臂，它借助激光干涉效應(yīng)，通過探測引力波拉伸與壓縮時空時，懸臂產(chǎn)生的極其微小的形變，最終實現(xiàn)對引力波的探測。那次探測到的引力波，來自13億光年之外兩個黑洞的并合事件。該事件中，相當于3個太陽質(zhì)量的能量以引力波的形式擴散，跨越浩瀚宇宙抵達地球時，僅讓LIGO的懸臂產(chǎn)生了萬分之一質(zhì)子直徑的形變！

黑洞合并引起的引力波示意圖 來源/LIGO/T. Pyle

LIGO實驗的兩個探測器 來源/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）的劇烈運動產(chǎn)生。而在宇宙大爆炸初期，時空劇烈量子漲落也會產(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”。

如果能夠探測并研究原初引力波，則能直接驗證宇宙早期“暴漲理論”，助力人類揭開宇宙起源與引力本質(zhì)的深層奧秘。但原初引力波是信號最微弱的一類引力波，通過構(gòu)造懸臂的方式遠遠不能探測到它?？茖W(xué)家想到了另一種辦法，就是通過研究宇宙微波背景輻射（CMB）光子的極化，來實現(xiàn)對原初引力波的探測。

CMB誕生于大爆炸后約38萬年，是宇宙中自由傳播的第一縷光，是宇宙的“嬰兒照”。正如引力波會讓LIGO懸臂產(chǎn)生定向形變，原初引力波會使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，原初引力波就相當于盛水的碗不斷地扭動，“水面”因此激起波浪和漩渦，而其中的漩渦就是 B 模式偏振——它是引力波的獨特簽名，其他的物理過程很難產(chǎn)生。因此，通過掃描全天區(qū)的CMB光子，統(tǒng)計并分析B模式極化信號，就能實現(xiàn)對原初引力波的精準測量。

CMB的E模式極化示意圖

CMB的B模式極化示意圖

如何“看見”引力波？捕捉宇宙最古老的“光”

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

地面CMB 觀測實驗對選址有著嚴苛要求，需要考慮兩方面的因素：一是海拔。大氣層會吸收、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損耗。二是低濕度。空氣中的水分子會吸收微波光子，同時自身也可釋放微波信號，干擾探測精度。綜上，實驗必須選址于極高且極干燥的地區(qū)。

在南半球，適合開展CMB 觀 測的位置有2 個：南極、智利的阿塔卡瑪沙漠。在這兩個位置先后設(shè)立了多個CMB 望遠鏡。在我們的北半球，也有2 個適合的位置：我國的西藏阿里地區(qū)和丹麥的格陵蘭島，目前只有我國于2014 年提出、2016 年啟動的阿里原初引力波探測實驗，是北半球首個宇宙微波背景輻射實驗，與南半球的實驗形成互補，實現(xiàn)對全天區(qū)的觀測。

阿里原初引力波觀測站  圖源/中國科學(xué)院高能物理研究所

踏上征程：阿里的“眼睛”已睜開

2025 年7 月，歷經(jīng)8 年艱苦研制與建設(shè)，由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭的阿里原初引力波探測實驗團隊完成一號望遠鏡的安裝調(diào)試，并成功驗證裝置核心指標。

實驗一期工程建成并順利實現(xiàn)“首光”觀測，成功獲取月球與木星輻射的150GHz 頻段清晰圖像，這標志著我國在原初引力波探測實驗領(lǐng)域邁出了關(guān)鍵一步。

站在世界之巔，阿里的望遠鏡正靜靜地凝望著深邃的宇宙背景。它追尋的，是138 億年前那場開天辟地的大爆炸的微弱回響。這場追尋不僅是為了驗證宏偉的宇宙學(xué)理論，更是人類對自身起源好奇心的終極延伸。我們期待，在不遠的未來，這雙位于“世界屋脊之巔”的“明眸”，能夠穿透時空的迷霧，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下來自東方的精彩注腳。

阿里原初引力波一號望遠鏡俯視圖  圖源/中國科學(xué)院高能物理研究所

文/ 中國科學(xué)院高能物理研究所 趙靜宜