填补北半球观测空白，中国首个原初引力波望远镜建成实现首光观测

2025 年 7 月 13 日，中国科学院高能物理研究所正式宣布，其主导的阿里原初引力波探测实验一期（AliCPT-1，Ali CMB Polarization Telescope）已在西藏阿里地区海拔 5,250 米的天文台址成功建成并实现“首光”观测。望远镜成功获取了月球和木星在 150 吉赫兹（GHz）频段的辐射图像，标志着这台专为探索宇宙起源而设计的精密仪器正式从工程建设阶段转入科学观测阶段，也意味着中国在原初引力波探测这一重大基础科学前沿领域拥有了世界先进水平的地面观测能力。

阿里实验的核心科学目标是寻找原初引力波在宇宙微波背景辐射（CMB，Cosmic Microwave Background）中留下的独特印记，即 B 模式偏振信号。原初引力波被认为是宇宙大爆炸瞬间产生的时空波动，携带着宇宙诞生最初时刻的重要信息。精确测量其特征将为验证宇宙暴胀理论等现代宇宙学理论提供关键证据。然而，这一信号极其微弱，容易被大气扰动和仪器噪声所掩盖，因此对探测技术提出了极高的要求。

为了实现这一目标，阿里实验对台址的选择极为苛刻。大气中的可沉降水汽（PWV，Precipitable Water Vapor）是地面 CMB 观测的主要干扰源。阿里台址地处喜马拉雅山脉的“雨影区”，高耸的山脉有效阻挡了来自印度洋的湿润气流，使其拥有了世界顶级的观测条件。数据显示，在每年 10 月至次年 3 月的最佳观测季，阿里台址的 PWV 中位数可低至 1 毫米左右，大气透明度极高，完全有能力与南极点和智利阿塔卡马沙漠这两个全球公认的最佳台址相媲美。更重要的是，作为北半球唯一的顶级 CMB 观测站，阿里实验能够观测到南半球台址无法覆盖的广阔北天区，实现了对全天区观测的完美互补，这对于降低宇宙方差、精确分离前景信号以及与南半球实验进行交叉验证都具有不可替代的战略价值。

AliCPT-1 望远镜采用折射式光学设计，其设计借鉴了国际上成功的 BICEP/Keck 系列实验的经验，但又在多个方面进行了创新和优化。它是一台大视场、高灵敏度的低温折射式望远镜，光圈系数为 f/1.4，有效接收口径达到 72 厘米。为了最大限度地降低仪器自身的热辐射噪声，望远镜的核心光学部件和探测器都必须工作在极低的温度下。

其光学系统由两块直径达 800 毫米的巨型氧化铝透镜构成。为了让微弱的宇宙信号能够穿透，同时将来自外界和仪器自身的热辐射（红外光）层层滤除，望远镜的入射窗口采用了超高分子量聚乙烯材料，并在其后设置了多层、工作在不同温区的红外滤波系统，包括 Zotefoam 泡沫塑料、氧化铝以及尼龙等特殊材料。所有光学元件表面都涂覆了专门研制的增透膜，以确保宝贵的 CMB 光子能够被最大限度地接收。

保障这套复杂系统的关键是其强大的制冷系统。它采用两级制冷策略：首先，一台先进的脉冲管制冷机（Pulse Tube Cryocooler）将望远镜的光学系统和结构部件冷却至 4 开尔文（约零下 269 摄氏度）；在此基础上，一台由中美合作研制的氦-3/氦-4 三级吸附式制冷机（Adsorption Fridge）接力工作，将探测器阵列的最终工作温度降至 280 毫开尔文（mK）的超低温，仅比绝对零度高出不到 0.3 摄氏度。只有在这样极寒的环境下，探测器才能“冷静”下来，感知到来自宇宙深处的微弱信号。

而 AliCPT-1 的“眼睛”——焦平面探测器阵列代表了当前超导探测器技术的先进水平。AliCPT-1 采用模块化设计，焦平面最终可容纳 19 个探测器模块，构成包含超过 32,000 个探测单元的大规模阵列。每个探测单元都是一个极其灵敏的超导相变边缘探测器（TES，Transition-Edge Sensor）。这种探测器本质上是一个超灵敏的微型温度计，当一个 CMB 光子被它吸收后，会引起其电阻的剧烈变化，从而被精确测量到。值得注意的是，这些探测器是双色的，每个像素点能同时接收 90GHz 和 150GHz 两个频段的信号，这对于精确区分 CMB 信号与银河系尘埃等前景干扰至关重要。

如何将三万多个探测器的信号从极低温的焦平面高效、低噪声地读取出来，是另一项巨大的技术挑战。阿里实验采用了目前国际最前沿的微波超导量子干涉器件复用技术（μmux，Microwave SQUID multiplexing）。这一技术的核心原理是将每个 TES 探测器与具有独特谐振频率的超导谐振腔耦合，使得数千个探测器的信号能够通过单根传输线同时读出，极大地简化了系统的复杂度并降低了热负载。整个读出系统基于 ZCU111 射频片上系统开发板，配合专门设计的收发器板，实现高效的信号处理和数据传输。

这套复杂的读出系统与探测器被集成在模块化的焦平面单元中。每个探测器模块都是一个高度集成的系统，重量约 1.5 公斤，采用六边形设计，外接圆直径 152.4 毫米。模块内部包含全硅光学组件、超导探测器阵列、微波读出电子学以及机械支撑结构。为了确保超导器件的正常工作，系统还配备了精密的磁屏蔽装置，采用铌材料和 Amuneal 合金制作的多层屏蔽结构，有效抑制外界磁场干扰。

从 2014 年中科院高能物理研究所张新民研究员团队提出科学构想到 2024 年实现“首光”，阿里实验项目汇集了来自中科院高能物理研究所、国家天文台、美国斯坦福大学等海内外 16 家科研机构的力量。经过 8 年的研制和建设，团队克服了高海拔地区氧气稀薄、气候严酷等自然条件挑战，以及复杂的技术难题和国际合作环境变化等困难。

目前，全球仅有 3 个主要的原初引力波探测实验基地，其中两个由美国主导，分别位于南极点（BICEP 系列）和智利阿塔卡马沙漠（POLARBEAR）。阿里实验的建成填补了北半球在该领域的空白，使得人类首次具备了对全天区进行原初引力波探测的能力。

此次“首光”观测成功验证了望远镜端到端系统设计的正确性和各项关键技术指标的达成。实验成功实现了从北京对阿里望远镜的远程操控与实时数据传输，验证了角分辨率、系统噪声水平等核心性能参数。根据设计预期，完全建成后的 AliCPT-1 对张量标量比 r 的探测灵敏度可达 0.01 量级，将比目前最好限制提高一个数量级以上。在偏振旋转角测量方面，预计精度可达 0.01 度，比现有结果提高两个数量级，为 CPT 对称性检验提供前所未有的精确度。

除了探测原初引力波外，阿里实验还将在多个重要科学问题上发挥作用，包括测量宇宙微波背景辐射的偏振旋转角以检验 CPT 对称性、研究 CMB 偏振的半球不对称性、探测引力透镜效应、分析银河系前景辐射特性等。这些研究将为理解暗物质、暗能量性质以及基本物理定律提供重要线索。

此次“首光”的成功标志着中国主导的这一世界级宇宙学实验平台正式进入科学运行阶段。按照计划，AliCPT-1 将在未来几年内持续对北天区进行深度观测，逐步积累高质量的科学数据。随着第二阶段 AliCPT-2 在更高海拔台址的规划实施，中国在原初引力波探测领域的国际地位将进一步提升，为人类最终揭开宇宙起源之谜贡献重要力量。

参考资料：

1.https://mp.weixin.qq.com/s/GEFtTFrrZWBiakfepAwQkA

2.https://arxiv.org/abs/2101.09608

3.https://arxiv.org/abs/1709.09053

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