新型探测器将去搜寻来自时间起点的引力波——螺旋天线探索古老宇宙

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探索漩涡的漩涡：该正弦天线可捡获多个微波波段，并将其传送到周围的探测器中。

人类终于发现了引力波。现在，为了探测这种时空涟漪，一种与以往不同的搜寻行动正在加速开展之中。
在智利的一座高山山顶还有南极，新一代的超导探测器正在搜寻宇宙微波背景辐射（CMB，也就是宇宙中最古老的可见光）中的引力波。

穿透地球的引力波可以帮助我们了解包括黑洞、中子星在内的相对近期的宇宙事件，而宇宙原始印记的发现则有可能为我们探索宇宙大爆炸后不到1秒的瞬间内的具体情况打开一扇窗。
这些年来，宇宙学家们一直在苦苦搜寻这些原始引力波存在的证据，它们应该具体体现为CMB偏振中的细微“弯曲”。而不久之后，人们似乎就捕获到了这一“宇宙猎物”：2014年，在南极开展的BICEP2试验宣布发现了这种典型的弯曲，即被称作B模偏振的一种特定偏振模式。但最终，这一B模偏振的来源却被确认是某些距离我们更近的物质——银河系的尘埃。
配备了更多探测器的新一代超导接收器可以帮助物理学家们隔离这些混淆信号。BICEP2只能在单一的150千兆赫频率上开展测量，然而，这些新的试验却可以同时获取多个频率。与银河的尘埃辐射相比，来自138亿年前的CMB光有着截然不同的光谱，因此，获取不同频率的数据可以令物理学家更好地找到并排除无用光。
来自加州大学圣地亚哥分校的布莱恩基廷（Brian Keating）参与了试验工作，他说：“BICEP2切切实实地说明，在一个频率上，我们只能探测到一种信号——换言之，如果摆在我们面前的是一个未知数和一个测量结果，那么我们只能把这个结果赋予这个未知数。而现在的局面变成了多频率覆盖。”

现在人们有多种方法可以测量CMB在不同频率上的偏振。其中一项试验便是将多个单频接收器轮流使用，或是将它们安装在不同的望远镜上。位于智利的阿卡塔马宇宙望远镜采取的是另外一种方案，即利用三维馈电喇叭天线为一个多频探测器系统捕获和馈入多种微波。
基廷是“北极熊”团队的一员，这个团队采用了硅透镜矩阵的方案，其中，每个透镜下面都有一个单独的平面天线。由加州大学伯克利分校和圣地亚哥分校的团队开发出的“正弦天线”包含4个在某些程度上像加号般排列的锯齿形铌制天线臂。由于其分形特性——其结构可进行不同等级的重复——这些天线能够覆盖一个较广的频率范围。
较长的天线臂部分可以根据其方位挑选出特定偏振，而系统的其他部分则与其他CMB接收器非常相似；接收到的信号会按照频率进行过滤，然后发送到被称为边界转变传感辐射热计的超敏超导设备中，该设备会显示出微波信号。同时获取多个频率的能力不仅有助于区分来自无用偏振漩涡来源的信号，还可以令物理学家无须大幅扩大探测器阵列规模便能提高灵敏度。
单位面积内的超高灵敏度对于CMB试验至关重要，这种试验在温度不超过1开尔文的情况下才能有效开展。基廷介绍说，这个试验区域“远比曼哈顿的房产贵得多；我们想要做的就是让每1平方厘米的区域都从光子场中提取尽可能多的信息”。
1987年，工程师雷蒙德杜哈梅尔（Raymond DuHamel）申请了这项试验的基础天线设计专利。在较新的研究中，加州大学圣地亚哥分校的加布瑞尔瑞贝兹（Gabriel Rebeiz）和其他人一起在该设计基础上增加了硅透镜结构，以便创建一些对太赫兹和毫米波光线比较敏感的小型天线。此外，伯克利团队还与瑞贝兹一道，对用于开展CMB观测的设计方案进行了优化。

来自伯克利团队的铃木有春（Aritoki Suzuki）表示，优化工作包括缩小天线尺寸，即将天线的最小特征尺寸缩小到1微米左右，使整个天线及其硅透镜的整体尺寸保持在5毫米左右。
铃木介绍说，微型化过程中的一项挑战便是要设计出一种能够和传统的芯片打印技术相兼容的信号馈线与天线的连接方法。研究团队最终发现，他们可以使信号馈线沿着天线臂曲折进入。
工人们已经准备好在海拔5000多米的智利科塔山上建造两台将配备上述某些探测器阵列的新望远镜。被命名为Polarbear2A的首批新接收器已经运达。这款接收器可以在两个频率上进行灵敏作业，同时该接收器所配备的探测器数量可达到此前单频接收器的6倍，这台单频接收器被安装在“北极熊”团队附近的Huan Tran望远镜上。在2017年底之前，团队计划在两台新望远镜以及Huan Tran望远镜上均加装多频接收器，形成未来的“西蒙思阵列”。

搜寻中：智利的Huan Tran望远镜（上图）附近将建设2台新的望远镜。最终，这3台望远镜将形成正弦天线探测器阵列（下图）。

来自芝加哥大学的克莱伦斯张（Clarence Chang）表示，每一种多频探测方案都各有优劣。张和他的同事们选择采用伯克利团队的设计方案来升级南极望远镜的传感器阵列。南极望远镜的新接收器将能够敏锐地接收3个频率上的信号，其中两个频率用于探测CMB偏振，一个用于研究银河系尘埃的变化情况。
作者：Rachel Courtlan