新型探測器將去搜尋來自時間起點的引力波-螺旋天線探索古老宇宙

最新 07-19

人類終於發現了引力波。現在，為了探測這種時空漣漪，一種與以往不同的搜尋行動正在加速開展之中。

探索漩渦的漩渦：該正弦天線可撿獲多個微波波段，並將其傳送到周圍的探測器中。

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在智利的一座高山山頂還有南極，新一代的超導探測器正在搜尋宇宙微波背景輻射（CMB，也就是宇宙中最古老的可見光）中的引力波。

穿透地球的引力波可以幫助我們了解包括黑洞、中子星在內的相對近期的宇宙事件，而宇宙原始印記的發現則有可能為我們探索宇宙大爆炸後不到1秒的瞬間內的具體情況打開一扇窗。

這些年來，宇宙學家們一直在苦苦搜尋這些原始引力波存在的證據，它們應該具體體現為CMB偏振中的細微「彎曲」。而不久之後，人們似乎就捕獲到了這一「宇宙獵物」：2014年，在南極開展的BICEP2試驗宣布發現了這種典型的彎曲，即被稱作B模偏振的一種特定偏振模式。但最終，這一B模偏振的來源卻被確認是某些距離我們更近的物質——銀河系的塵埃。

配備了更多探測器的新一代超導接收器可以幫助物理學家們隔離這些混淆信號。BICEP2隻能在單一的150千兆赫頻率上開展測量，然而，這些新的試驗卻可以同時獲取多個頻率。與銀河的塵埃輻射相比，來自138億年前的CMB光有著截然不同的光譜，因此，獲取不同頻率的數據可以令物理學家更好地找到並排除無用光。

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來自加州大學聖地亞哥分校的布萊恩?基廷（Brian Keating）參與了試驗工作，他說：「BICEP2切切實實地說明，在一個頻率上，我們只能探測到一種信號——換言之，如果擺在我們面前的是一個未知數和一個測量結果，那麼我們只能把這個結果賦予這個未知數。而現在的局面變成了多頻率覆蓋。」

現在人們有多種方法可以測量CMB在不同頻率上的偏振。其中一項試驗便是將多個單頻接收器輪流使用，或是將它們安裝在不同的望遠鏡上。位於智利的阿卡塔馬宇宙望遠鏡採取的是另外一種方案，即利用三維饋電喇叭天線為一個多頻探測器系統捕獲和饋入多種微波。

基廷是「北極熊」團隊的一員，這個團隊採用了硅透鏡矩陣的方案，其中，每個透鏡下面都有一個單獨的平面天線。由加州大學伯克利分校和聖地亞哥分校的團隊開發出的「正弦天線」包含4個在某些程度上像加號般排列的鋸齒形鈮制天線臂。由於其分形特性——其結構可進行不同等級的重複——這些天線能夠覆蓋一個較廣的頻率範圍。

較長的天線臂部分可以根據其方位挑選出特定偏振，而系統的其他部分則與其他CMB接收器非常相似；接收到的信號會按照頻率進行過濾，然後發送到被稱為邊界轉變感測輻射熱計的超敏超導設備中，該設備會顯示出微波信號。同時獲取多個頻率的能力不僅有助於區分來自無用偏振漩渦來源的信號，還可以令物理學家無須大幅擴大探測器陣列規模便能提高靈敏度。

單位面積內的超高靈敏度對於CMB試驗至關重要，這種試驗在溫度不超過1開爾文的情況下才能有效開展。基廷介紹說，這個試驗區域「遠比曼哈頓的房產貴得多；我們想要做的就是讓每1平方厘米的區域都從光子場中提取儘可能多的信息」。

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1987年，工程師雷蒙德?杜哈梅爾（Raymond DuHamel）申請了這項試驗的基礎天線設計專利。在較新的研究中，加州大學聖地亞哥分校的加布瑞爾?瑞貝茲（Gabriel Rebeiz）和其他人一起在該設計基礎上增加了硅透鏡結構，以便創建一些對太赫茲和毫米波光線比較敏感的小型天線。此外，伯克利團隊還與瑞貝茲一道，對用於開展CMB觀測的設計方案進行了優化。

來自伯克利團隊的鈴木有春（Aritoki Suzuki）表示，優化工作包括縮小天線尺寸，即將天線的最小特徵尺寸縮小到1微米左右，使整個天線及其硅透鏡的整體尺寸保持在5毫米左右。

鈴木介紹說，微型化過程中的一項挑戰便是要設計出一種能夠和傳統的晶元列印技術相兼容的信號饋線與天線的連接方法。研究團隊最終發現，他們可以使信號饋線沿著天線臂曲折進入。

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工人們已經準備好在海拔5000多米的智利科塔山上建造兩台將配備上述某些探測器陣列的新望遠鏡。被命名為Polarbear2A的首批新接收器已經運達。這款接收器可以在兩個頻率上進行靈敏作業，同時該接收器所配備的探測器數量可達到此前單頻接收器的6倍，這台單頻接收器被安裝在「北極熊」團隊附近的Huan Tran望遠鏡上。在2017年底之前，團隊計劃在兩台新望遠鏡以及Huan Tran望遠鏡上均加裝多頻接收器，形成未來的「西蒙思陣列」。