蓬勃发展中的天文观测实验和技术正帮助我们发现难以检测的时空涟漪。
两个相互绕转的黑洞可以产生频率逐渐变高的引力波。新的工具和技术或许能够对这次合并进行长达数周甚至数年的观测
2015年9月，一次仅持续了五分之一秒的振动改变了物理学的历史。这是人类第一次直接探测到引力波——以光速穿越宇宙的一种时空扰动。
天文学家说，这就像获得了一种新的感官——在2015年之前，他们只能“看到”宇宙事件，而现在可以“听到”它们了。从那时起，在路易斯安那州和华盛顿州的激光干涉引力波天文台（LIGO）的两个大型设施，以及它们在意大利比萨附近的兄弟，室女座干涉仪（Virgo），开始了记录引力波的常态化工作。
引力波的探测为探索自然规律和宇宙历史提供了新的途径，同时也能为探索有关黑洞及其起源的大恒星的生命历程提供线索。瑞士日内瓦大学的理论物理学家奇亚拉· 卡普里尼（Chiara Caprini）说，对许多物理学家而言，引力波科学的诞生是过去十年中罕见的科研亮点。其他有前景的探索领域一直令人失望：暗物质搜索一无所获；日内瓦附近的大型强子对撞机除了希格斯玻色子之外没有发现任何东西；甚至一些新的物理学迹象似乎也在消失。卡普里尼说：“在这片平淡无奇的领域上，引力波的到来是一股新鲜的空气。”
迄今为止发现的100多个引力波事件都只是物理学家们认为引力波存在的很小的样本。LIGO和Virgo探测的窗口相当狭窄，主要局限在100~1000赫兹的频率范围内。当一对大质量恒星或黑洞慢慢地相互旋转时，经过数百万年的时间，它们会产生频率缓慢增加的引力波，直到在物体碰撞前的最后时刻，引力波才会达到这个可探测的范围。但是，这只是许多可能产生引力波的现象之一。
LIGO和Virgo是激光干涉仪，它们的工作原理是检测沿几公里长的垂直臂发射的激光在传播时间上的微小差异。当引力波经过时，臂会轻微地膨胀和收缩。研究人员目前正在地球和太空建造下一代LIGO型天文台，其中包括激光干涉空间天线，一些人甚至提议在月球上也建造一座。有些设备可能可以对频率低至1赫兹的引力波敏感。
但是物理学家也在探索完全不同的技术来探测引力波。这些策略，从观察脉冲星到测量量子涨落，旨在捕捉频率范围从兆赫兹到纳赫兹更广泛种类的引力波。
通过拓宽观测窗口，天文学家应该能够观察到黑洞彼此绕转数天、数周甚至数年，而不是仅仅观测碰撞前的最后几秒钟。他们能够发现由完全不同的宇宙现象产生的波动，包括巨型黑洞，甚至宇宙起源本身。他们说，所有这些将揭开宇宙中许多亟待探索的秘密。
脉冲星定时阵列：捕捉持续十年的波动
2023年，一种可行的干涉仪替代方案进入了探测领域。
自21世纪初以来，射电天文学家一直试图利用整个银河系作为引力波探测器。方法是监测几十颗被称为脉冲星的中子星。它们以每秒数百次的速度绕轴转动，同时发射无线电，看起来就像一个光脉冲。
扫过银河系的引力波会改变地球和每颗脉冲星之间的距离，造成每年检测到的脉冲星频率的异常。对脉冲星阵列——称为脉冲星定时阵列（PTA）——的观测应该能够探测到引力波引起的频率仅为纳赫兹的变化，例如由超大质量黑洞对产生的波动。这种波的连续波峰需要几十年的时间才能通过一个特定的有利位置，这意味着需要几十年的观测才能发现它们。
2023年，PTA技术初见成效。位于美国康涅狄格州纽黑文的耶鲁大学的天体物理学家基娅拉 · 明加莱利（Chiara Mingarelli）说，来自北美、欧洲、澳大利亚和中国的四支独立合作团队揭示了一种从随机的“随机背景”引力波中预期的模式，这种波动可能是由超大质量黑洞双星的杂音引起的。
研究小组没有使用“发现”这个词，因为相关证据还不够确凿。但其中三个小组正在收集他们的数据并进行联合分析，希望能够得到结果。位于弗吉尼亚州夏洛茨维尔的美国国家射电天文观测站的天体物理学家、北美合作组织的高级成员斯科特 · 兰瑟姆（Scott Ransom）说，这会是非常细致的工作，因为每个小组处理原始数据的方式略有不同，因此可能至少需要一年的时间才能发表成果。
“在目前的数据中，我们几乎可以肯定有超大质量黑洞双星存在的迹象。”兰瑟姆说。他补充道，每多观察一年，他们就更有可能从杂音中分辨出黑洞对。“一切会向越来越好的方向发展。”
微波望远镜：探测来自宇宙大爆炸的波动
在2015年LIGO探测的前一年，一个使用宇宙泛星系偏振背景成像（BICEP2）南极望远镜的宇宙学小组声称发现了引力波——不是直接探测得到，而是通过宇宙微波背景（CMB）发现的，即宇宙大爆炸的余晖。
BICEP2给出的结果被证明是不成熟的，但宇宙学家正在为此付出加倍的努力。在智利北部阿塔卡马沙漠的山顶上，名为西蒙斯天文台的望远镜阵列正在建设中，它比BICEP2强大得多。一些研究人员对另一种更强大的阵列抱有希望，它被称为CMB-S4，是最初计划在智利和南极投入使用的12台望远镜，然而在2024年5月份，由于美国南极基地年久失修，该项目计划被搁置。
物理学家杰森·霍根（Jason Hogan，左）和马克·卡西维奇（Mark Kasevich）正在研究原子干涉仪
宇宙学家在CMB中寻找的是其偏振场漩涡的一种特殊的“B模式”（即微波扭曲的优先方向），这种模式会在引力波通过时留下印记。理论上，这种波应该是由暴胀产生的，即宇宙大爆炸发生后指数级膨胀的快速爆发。暴胀可以解释宇宙许多最显著的特性，比如它的平坦度以及质量的分布特点。暴胀产生的引力波本应以高频开始，但现在却以约10~14 赫兹的极低频率开始。
尽管暴胀理论是公认的宇宙学理论的基石，但现在我们还没有证据可以证明它。B模式将会是直接的证据，而且它也将揭示所涉及的能量尺度，这是理解暴胀生成机制的第一步。
问题是，没有人知道这个能量尺度是否足够大，从而能留下明显的痕迹。“暴胀预测了B模式，但我们不知道它是否足够大到可以被探测到。”马里兰州巴尔的摩市约翰霍普金斯大学的理论天体物理学家马克 · 卡米翁科夫斯基（Marc Kamionkowski）说。但如果主流模型是正确的，西蒙斯天文台或CMB-S4应该最终找到它。
原子干涉仪：填补空白
尽管众多项目将引力波科学推向了较低的频率，但它们仍在1赫兹以下的频率中留下了一个关键的空白。
探测这类频率可以揭示比LIGO探测结果规模更大的黑洞合并现象（LIGO探测到的波来自质量最多为几十倍太阳质量的恒星塌缩）。卡普里尼说：“这是一个未经探索的区域，可能探测到很多黑洞。”
伦敦帝国理工学院的物理学家奥利弗· 布希米勒（Oliver Buchmüller）认为，一种新兴的技术可能会起到关键作用。他说：“原子干涉仪填补了我们目前无法用其他技术探索的空白。”原子干涉仪是一种垂直的高真空管，原子在其中被释放并在重力作用下下落。在此过程中，物理学家用激光照射原子，使其在激发态和松弛态之间切换——这与原子钟使用的原理相同。“我们正在尝试将这种原子钟技术投入更大范围的应用。”加州斯坦福大学的物理学家杰森 · 霍根（Jason Hogan）说。
霍根说，为了探测引力波，物理学家计划将两组或多组原子放置在同一垂直管道内的不同高度，并测量激光脉冲从一组原子传输到下一组原子所需的时间。引力波的通过会导致光在它们之间传播的时间稍微少一点或稍微多一点——这种变化小于一万亿亿分之一。
斯坦福大学已经通过开拓性实验研究出10米落差原子干涉仪，但探测引力波需要至少1千米高的装置，这些装置可以安装在矿井中甚至太空中。作为第一步，世界各地的几个团队计划建设100米的原子干涉仪作为测试平台。其中一个被称为MAGIS-100的设施已经在伊利诺伊州芝加哥郊外的费米国家加速器实验室的现有竖井中建设开工，计划于2027年完工。
桌面探测器：提高频率
其他研究人员正在探索用更小（也更便宜）的探测器探测引力波的方法，其中一些甚至可以放在桌面上。它们被设计用来观测极高频率的引力波。已知的现象应该不会产生这样的波，但一些推测性的理论确实预测了此类波的存在。
位于伊利诺伊州埃文斯顿的西北大学的悬浮传感器探测器（LSD）看起来就像一个玩具LIGO：它在相距仅1米的镜子之间反射激光。LSD是一种新型仪器的原型，这种仪器的设计目的是利用共振来感知引力波：就像是荡秋千，如果时间恰到好处，即使是很小的推力也能让孩子在秋千上越荡越高。
在LSD的每一个臂内的真空中，激光光束上悬浮着一个直径只有微米宽的粒子。与干涉仪一样，引力波的通过会交替地拉长和压缩每个臂的长度。如果引力波的频率与装置的频率共振，激光将给粒子许多微小的冲击。领导该项目的西北大学物理学家安德鲁 · 格拉西（Andrew Geraci）说，LSD可以精确地跟踪粒子的运动。
西弗吉尼亚州的绿岸望远镜是脉冲星定时阵列的一部分
LSD被设计为对频率约为100 千赫兹的引力波敏感。假设存在这样的波，并且如果研究小组能够控制实验噪声，那么这个源头可能已经有机会被探测到。格拉西说：“如果乐观的话，即使使用1米的仪器，我们也能测量出该波段的真实信号。”他补充说，其未来的版本可以扩展到100米长的臂，这将提高目前的灵敏度。
英国南安普敦大学的理论物理学家伊维特· 富恩特斯（Ivette Fuentes）提出了制造更小的共振探测器的想法。她的目标是利用一种称为玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）的奇特物质状态中的声波——一种保持在比绝对零度高几百万分之一摄氏度的原子云。如果引力波以与声波共振的频率通过，它就能被探测到。因为寻找这个信号的行为会破坏BEC，所以每秒都需要释放新的原子流。富恩特斯说，这一过程可能需要重复数月才能成功检测。
原则上，基于BEC的探测器可以将对引力波的搜索扩展到1 兆赫兹或更高频率——同样，前提是它们存在。富恩特斯说，她的方案需要将BEC技术稍微推向当前的技术前沿。“我认为这个想法是非常大胆的。”她说。物理学家假设，高频引力波可以揭示宇宙大爆炸后第一秒左右发生的奇异物理现象。卡普里尼说：“我们可以用它来研究高能宇宙的状态。”
量子晶体：只需一秒
最后一个更激进的探测引力波的方案是将物体同时放在两个地方。
伦敦大学学院的物理学家苏加托· 玻色（Sougato Bose）提出了一种装置设计方案，将微米级的钻石晶体置于两个量子态的叠加中。在他的设计中，晶体的两个“形态”将被推开1米，然后重新组合在一起——这是一个极其精细的过程，可以比作童谣中的角色蛋形矮胖子（Humpty Dumpty）摔碎后的重新组合。引力波的通过会使一个形态在分开时比另一个形态走得更远，当它们重新结合时会产生可测量的不同。整个过程大约需要1秒的时间来完成，这将使装置对1赫兹左右的引力波敏感。
这个想法可以说雄心勃勃：迄今为止，这种量子技术已经被证明只对分子大小的物体有效，而且还没有人测试过量子的奇异性能否能被推到如此极端的程度。玻色说：“将矮胖子重新组合在一起这样的事在晶体中从未发生过。”
但是如果这项技术可以完善的话，那么像这样的桌面实验就可以使引力波探测脱离一些大型实验室的控制。这些技术结合在一起，可以大大拓展可观测的范围。“前景非常乐观。”卡普里尼说。
资料来源Nature
————————
本文作者达维德? 卡斯泰尔韦基（Davide Castelvecchi）是《自然》（Nature）杂志的资深作者。