2025 年 7 月 13 日，中國科學院高能物理研究所正式宣布，其主導的阿里原初引力波探測實驗一期（AliCPT-1，Ali CMB Polarization Telescope）已在西藏阿里地區海拔 5,250 米的天文臺址成功建成并實現“首光”觀測。望遠鏡成功獲取了月球和木星在 150 吉赫茲（GHz）頻段的輻射圖像，標志著這臺專為探索宇宙起源而設計的精密儀器正式從工程建設階段轉入科學觀測階段，也意味著中國在原初引力波探測這一重大基礎科學前沿領域擁有了世界先進水平的地面觀測能力。

（中國科學院高能物理研究所）

阿里實驗的核心科學目標是尋找原初引力波在宇宙微波背景輻射（CMB，Cosmic Microwave Background）中留下的獨特印記，即 B 模式偏振信號。原初引力波被認為是宇宙大爆炸瞬間產生的時空波動，攜帶著宇宙誕生最初時刻的重要信息。精確測量其特征將為驗證宇宙暴脹理論等現代宇宙學理論提供關鍵證據。然而，這一信號極其微弱，容易被大氣擾動和儀器噪聲所掩蓋，因此對探測技術提出了極高的要求。

為了實現這一目標，阿里實驗對臺址的選擇極為苛刻。大氣中的可沉降水汽（PWV，Precipitable Water Vapor）是地面 CMB 觀測的主要干擾源。阿里臺址地處喜馬拉雅山脈的“雨影區”，高聳的山脈有效阻擋了來自印度洋的濕潤氣流，使其擁有了世界頂級的觀測條件。數據顯示，在每年 10 月至次年 3 月的最佳觀測季，阿里臺址的 PWV 中位數可低至 1 毫米左右，大氣透明度極高，完全有能力與南極點和智利阿塔卡馬沙漠這兩個全球公認的最佳臺址相媲美。更重要的是，作為北半球唯一的頂級 CMB 觀測站，阿里實驗能夠觀測到南半球臺址無法覆蓋的廣闊北天區，實現了對全天區觀測的完美互補，這對于降低宇宙方差、精確分離前景信號以及與南半球實驗進行交叉驗證都具有不可替代的戰略價值。

AliCPT-1 望遠鏡采用折射式光學設計，其設計借鑒了國際上成功的 BICEP/Keck 系列實驗的經驗，但又在多個方面進行了創新和優化。它是一臺大視場、高靈敏度的低溫折射式望遠鏡，光圈系數為 f/1.4，有效接收口徑達到 72 厘米。為了最大限度地降低儀器自身的熱輻射噪聲，望遠鏡的核心光學部件和探測器都必須工作在極低的溫度下。

圖丨AliCPT-1 接收器的橫截面（arXiv）

其光學系統由兩塊直徑達 800 毫米的巨型氧化鋁透鏡構成。為了讓微弱的宇宙信號能夠穿透，同時將來自外界和儀器自身的熱輻射（紅外光）層層濾除，望遠鏡的入射窗口采用了超高分子量聚乙烯材料，并在其后設置了多層、工作在不同溫區的紅外濾波系統，包括 Zotefoam 泡沫塑料、氧化鋁以及尼龍等特殊材料。所有光學元件表面都涂覆了專門研制的增透膜，以確保寶貴的 CMB 光子能夠被最大限度地接收。

保障這套復雜系統的關鍵是其強大的制冷系統。它采用兩級制冷策略：首先，一臺先進的脈沖管制冷機（Pulse Tube Cryocooler）將望遠鏡的光學系統和結構部件冷卻至 4 開爾文（約零下 269 攝氏度）；在此基礎上，一臺由中美合作研制的氦-3/氦-4 三級吸附式制冷機（Adsorption Fridge）接力工作，將探測器陣列的最終工作溫度降至 280 毫開爾文（mK）的超低溫，僅比絕對零度高出不到 0.3 攝氏度。只有在這樣極寒的環境下，探測器才能“冷靜”下來，感知到來自宇宙深處的微弱信號。

而 AliCPT-1 的“眼睛”——焦平面探測器陣列代表了當前超導探測器技術的先進水平。AliCPT-1 采用模塊化設計，焦平面最終可容納 19 個探測器模塊，構成包含超過 32,000 個探測單元的大規模陣列。每個探測單元都是一個極其靈敏的超導相變邊緣探測器（TES，Transition-Edge Sensor）。這種探測器本質上是一個超靈敏的微型溫度計，當一個 CMB 光子被它吸收后，會引起其電阻的劇烈變化，從而被精確測量到。值得注意的是，這些探測器是雙色的，每個像素點能同時接收 90GHz 和 150GHz 兩個頻段的信號，這對于精確區分 CMB 信號與銀河系塵埃等前景干擾至關重要。

如何將三萬多個探測器的信號從極低溫的焦平面高效、低噪聲地讀取出來，是另一項巨大的技術挑戰。阿里實驗采用了目前國際最前沿的微波超導量子干涉器件復用技術（μmux，Microwave SQUID multiplexing）。這一技術的核心原理是將每個 TES 探測器與具有獨特諧振頻率的超導諧振腔耦合，使得數千個探測器的信號能夠通過單根傳輸線同時讀出，極大地簡化了系統的復雜度并降低了熱負載。整個讀出系統基于 ZCU111 射頻片上系統開發板，配合專門設計的收發器板，實現高效的信號處理和數據傳輸。

圖丨AliCPT-1 探測器模塊（arXiv）

這套復雜的讀出系統與探測器被集成在模塊化的焦平面單元中。每個探測器模塊都是一個高度集成的系統，重量約 1.5 公斤，采用六邊形設計，外接圓直徑 152.4 毫米。模塊內部包含全硅光學組件、超導探測器陣列、微波讀出電子學以及機械支撐結構。為了確保超導器件的正常工作，系統還配備了精密的磁屏蔽裝置，采用鈮材料和 Amuneal 合金制作的多層屏蔽結構，有效抑制外界磁場干擾。

從 2014 年中科院高能物理研究所張新民研究員團隊提出科學構想到 2024 年實現“首光”，阿里實驗項目匯集了來自中科院高能物理研究所、國家天文臺、美國斯坦福大學等海內外 16 家科研機構的力量。經過 8 年的研制和建設，團隊克服了高海拔地區氧氣稀薄、氣候嚴酷等自然條件挑戰，以及復雜的技術難題和國際合作環境變化等困難。

目前，全球僅有 3 個主要的原初引力波探測實驗基地，其中兩個由美國主導，分別位于南極點（BICEP 系列）和智利阿塔卡馬沙漠（POLARBEAR）。阿里實驗的建成填補了北半球在該領域的空白，使得人類首次具備了對全天區進行原初引力波探測的能力。

此次“首光”觀測成功驗證了望遠鏡端到端系統設計的正確性和各項關鍵技術指標的達成。實驗成功實現了從北京對阿里望遠鏡的遠程操控與實時數據傳輸，驗證了角分辨率、系統噪聲水平等核心性能參數。根據設計預期，完全建成后的 AliCPT-1 對張量標量比 r 的探測靈敏度可達 0.01 量級，將比目前最好限制提高一個數量級以上。在偏振旋轉角測量方面，預計精度可達 0.01 度，比現有結果提高兩個數量級，為 CPT 對稱性檢驗提供前所未有的精確度。

除了探測原初引力波外，阿里實驗還將在多個重要科學問題上發揮作用，包括測量宇宙微波背景輻射的偏振旋轉角以檢驗 CPT 對稱性、研究 CMB 偏振的半球不對稱性、探測引力透鏡效應、分析銀河系前景輻射特性等。這些研究將為理解暗物質、暗能量性質以及基本物理定律提供重要線索。

此次“首光”的成功標志著中國主導的這一世界級宇宙學實驗平臺正式進入科學運行階段。按照計劃，AliCPT-1 將在未來幾年內持續對北天區進行深度觀測，逐步積累高質量的科學數據。隨著第二階段 AliCPT-2 在更高海拔臺址的規劃實施，中國在原初引力波探測領域的國際地位將進一步提升，為人類最終揭開宇宙起源之謎貢獻重要力量。

參考資料：

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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