兩個相互環繞的黑洞產生頻率遞增的重力波。新的儀器和技術可能會在數周甚至數年內關註這種合並。圖片來源：美國國家航空暨太空總署戈達德太空飛行中心概念影像實驗室
2015年9月，一次持續五分之一秒的振動改變了物理學史。這是 第一次直接探測到重力波——時 空幾何中的擾動，以光速在宇宙中移動。
天文學家說，這就像獲得了一種新的感覺——就好像直到2015年，他們只能「看到」宇宙事件，現在也可以「聽到」它們。從那時起，在路易士安那州和華盛頓州的雷射幹涉儀重力波天文台（LIGO）的兩個大型設施以及義大利披薩附近的兄弟處女座天文台記錄重力波的透過幾乎已成為日常工作。
重力波的探測 為探索自然法則和宇宙歷史提供了新的方法 ，包括關於黑洞生命故事及其起源的大恒星的線索。對於許多物理學家來說，重力波科學的誕生是過去十年中一個罕見的亮點，瑞士日內瓦大學的理論物理學家Chiara Caprini說。其他有前途的探索領域令人失望： 暗物質搜尋 一直空手而歸;日內瓦附近的大型強子對撞機在希格斯玻色子之外沒有發現任何東西;甚至一些 有希望的新物理學 的暗示似乎也在消退。「在這個相當平坦的景觀中，重力波的到來是一股新鮮空氣，」卡普裏尼說。
這個難得的亮點看起來會變得更加明亮。
到目前為止，所有發現的100多個重力波事件都只是物理學家認為存在的一小部份。LIGO和Virgo開啟的視窗相當狹窄，主要局限於100-1000赫茲範圍內的頻率。當成對的重恒星或黑洞慢慢地相互盤旋時，在數百萬年的時間裏，它們會產生頻率緩慢增加的重力波，直到在物體碰撞前的最後時刻，重力波漣漪進入這個可探測的範圍。但這只是預計會產生重力波 的眾多現象 之一。
LIGO和Virgo是雷射幹涉儀：它們的工作原理是檢測沿垂直臂發射的雷射的傳播時間的微小差異，每個垂直臂都有幾公裏長。當重力波沖刷它們時，手臂以微小的量膨脹和收縮。研究人員現在正在研究幾個下一代LIGO型天文台，包括地球上和太空中的雷射幹涉儀空間天線;有些人甚至提議在月球上建造一個 1 .其中一些可能對頻率低至1赫茲的重力波敏感。
但物理學家也在探索完全不同的技術來探測重力波。這些策略，從觀察脈沖星到測量量子漲落，希望捕捉到更多種類的重力波，頻率在兆赫茲到納赫茲範圍內（參見「開啟重力波的視窗」）。
透過擴大觀測視窗，天文學家應該能夠觀察黑洞相互盤旋數天、數周甚至數年，而不僅僅是捕捉碰撞前的最後幾秒鐘。他們將能夠發現由完全不同的宇宙現象產生的波 - 包括巨型黑洞，甚至是宇宙本身的起源。他們說，所有這一切都將揭開宇宙中許多剩余的秘密。
脈沖星定時陣列：捕捉持續十年的波浪
去年，幹涉儀的一個可行替代品進入了遊戲。
自2000年代初以來，射電天文學家一直試圖將整個銀河系用作重力波探測器。訣竅是監測數十顆稱為脈沖星的中子星。它們在每秒繞軸旋轉數百次，同時發射射頻束，每轉一圈都會產生看起來像光脈沖的東西。
席卷銀河系的重力波會改變地球和每顆脈沖星之間的距離，從而在一年到下一年的探測脈沖星頻率中產生異常。對脈沖星集合或脈沖星陣列的觀測 - 稱為脈沖星定時陣列（PTA） - 應該能夠探測到頻率僅為納赫茲的重力波引起的變化，例如，成對的超大品質黑洞可能產生的變化。這種波浪的連續波峰需要幾十年的時間才能透過給定的有利位置，這意味著需要數十年的觀測才能發現它們。
2023年，PTA技術 開始結出碩果 。康乃狄克州紐黑文耶魯大學的天體物理學家Chiara Mingarelli說，在北美、歐洲、澳洲和中國進行的四項獨立合作揭示了一種 誘人 的暗示，即一種來自重力波的隨機「隨機背景」的模式，這些重力波使地球四處晃動，可能是由超大品質黑洞雙星的刺耳聲音引起的。
這些團隊還沒有使用「發現」這個詞，因為每次合作所揭示的證據還不是堅如磐石的。但其中三個小組——除了中國小組之外——現在正在匯總他們的數據並進行聯合分析，希望能找到「D」字。這需要艱苦的工作，因為每個小組處理其原始數據的方式略有不同，因此至少需要一年時間才能發表，維吉尼亞州夏洛茨維爾美國國家射電天文台的天體物理學家史考特·蘭瑟姆（Scott Ransom）說。
「在我們目前的數據中，我們幾乎可以肯定有個別超大品質黑洞雙星的暗示，」Ransom說。他補充說，隨著每增加一年的觀測，他們應該更接近於從嘈雜聲中解析出單個黑洞對。「事情只會越來越好。」
微波望遠鏡：發現來自大霹靂的波
在LIGO於2015年探測到重力波的前一年，一組宇宙學家使用名為BICEP2的南極望遠鏡聲稱發現了重力波 - 不是直接的，而是在稱為宇宙微波背景（CMB）的光模式中，有時被描述為大霹靂的余輝。
BICEP2的說法被證明還為時過早 ，但宇宙學家現在正在加倍努力。在智利北部阿塔卡馬沙漠的一座山頂上，正在建立一系列比BICEP2更強大的望遠鏡，稱為 西蒙斯天文台 。一些研究人員對一個名為CMB-S4的更強大的陣列抱有希望（最初提議在智利和南極包括12台望遠鏡）——盡管在5月，由於美國南極基地年久失修，該計畫的計劃被擱置。
宇宙學家在CMB中尋找的是其偏振漩渦中的特定「B模式」模式 - 微波擺動的優先方向 - 這將被重力波的透過所印上。該理論認為，這種波應該是由暴脹產生的，暴脹是宇宙膨脹的快速爆發，被認為發生在大霹靂時期 2 .暴脹可以解釋宇宙許多最引人註目的特性，例如它的平坦度和品質的分布方式。暴脹產生的重力波本來會以高頻開始，但現在會以大約 10 的低頻率開始 −14 赫茲。
盡管暴脹是公認的宇宙學理論的基石，但目前還沒有證據證明這一點。B模式將是吸煙槍，此外，還將揭示所涉及的能量尺度，這將是了解是什麽推動了通貨膨脹的第一步。
問題是，沒有人知道這個能量尺度是否足夠大，以至於留下了明顯的痕跡。「暴脹預測了B模式，但我們不知道它是否大到足以被探測到，」馬里蘭州巴爾的摩約翰霍普金斯大學的理論天體物理學家Marc Kamionowski說。但是，如果領先的模型是正確的，那麽西蒙斯天文台或CMB-S4最終應該會找到它，他說。
原子幹涉測量：縮小差距
盡管其中許多計畫將重力波科學推向了更低的頻率，但它們在1赫茲以下留下了一個關鍵的差距。
探測到這樣的頻率可以揭示黑洞的合並，這些黑洞的品質比LIGO所看到的要大得多（LIGO發現來自塌縮恒星的波，這些恒星的品質最多只有幾十個太陽品質）。「這是一個未開發的區域，但它可能有很多黑洞，」卡普裏尼說。
傑森·霍根（左）和馬克·卡塞維奇（Mark Kasevich）正在研究原子幹涉儀，這種裝置可以揭示比當前雷射幹涉儀看到的黑洞品質大得多的合並。 圖片來源：洛杉磯西塞羅和史丹佛大學
倫敦帝國理工學院的物理學家奧利弗·布赫米勒（Oliver Buchmüller）表示，一種新興的技術可能會派上用場。「原子幹涉測量處於我們目前無法用任何其他技術探索的空白，」他說。原子幹涉儀是一種垂直的高真空管道，原子可以在重力作用下釋放並允許其下落。當他們這樣做時，物理學家用雷射撓原子，使它們在激發態和松弛態之間切換——與原子鐘使用的原理相同。「我們正試圖將這種原子鐘技術推向最終的可能性，」加利福尼亞州史丹佛大學的物理學家Jason Hogan說。
為了探測重力波，物理學家計劃將兩組或多組不同高度的原子放入同一垂直管道內，並測量雷射脈沖從一組原子傳播到另一組原子所需的時間，霍根說。重力波的透過將導致光在它們之間花費的時間略少或略多——這種變化小於1000億分之一。
史丹佛大學（Stanford University）的開創性實驗開發了10公尺高的原子幹涉儀，但探測重力波需要至少1公裏高的裝置，這些裝置可以安裝在礦井中，甚至可以安裝在太空中。作為第一步，世界各地的幾個小組正計劃建造100公尺原子幹涉儀作為試驗台。其中一個名為MAGIS-100的設施已經在伊利諾州芝加哥郊外的費米國家加速器實驗室的現有豎井中建設中，計劃於2027年完工。
台式探測器：提高頻率
其他研究人員正在探索用更小（更便宜）的探測器探測重力波的方法，包括一些可以安裝在桌面上的探測器。這些旨在觀察極高頻的重力波。已知的現象可能不會產生這樣的波，但一些推測理論確實預測了它們。
位於伊利諾州伊凡斯頓的西北大學的懸浮傳感器探測器（LSD）看起來像一個玩具LIGO：它在相距僅1公尺的成對鏡子之間反射雷射。LSD是一種新型儀器的原型，旨在使用共振來感知重力波：同樣的原理是，如果時機恰到好處，即使是很小的推動也可以使蕩秋千的孩子越來越高 3 .
在LSD每個臂內的真空中，雷射懸浮著一個只有幾微米寬的粒子。與幹涉儀一樣，重力波的透過將交替拉長和壓縮每個臂的長度。如果重力波的頻率與裝置的頻率共振，那麽雷射就會給粒子帶來許多微小的沖擊。LSD可以以飛米的精度跟蹤粒子的運動，西北物理學家安德魯·傑拉奇（Andrew Geraci）說，他是該計畫的負責人。
LSD被設計為對頻率約為100 kHz的重力波敏感。如果該團隊能夠控制實驗雜訊，並且前提是存在這樣的波，那麽這個原型可能已經有機會探測到一些雜訊。「根據你的樂觀程度，即使使用1公尺的儀器，我們也有可能測量到該頻段的真實訊號，」Geraci說。他補充說，未來的版本可以放大到100公尺長的手臂，這將提高它們的靈敏度。
英國南安普頓大學的理論物理學家伊維特·富恩特斯（Ivette Fuentes）有一個想法，那就是制造一個更小的諧振探測器。她的目標是利用一種稱為玻色-愛因史坦凝聚態（BEC）的奇異物質狀態的聲波 - 一種保持在絕對零度以上幾百萬分之一度的溫度下的原子雲。如果重力波以與聲波共振的頻率透過，則可以檢測到它。因為尋找這個訊號的行為會破壞BEC，所以每秒都需要釋放出新的原子洪流。富恩特斯說，這個過程可能需要重復數月才能成功檢測。
原則上，基於BEC的探測器可以將對重力波的搜尋擴充套件到1 MHz或更高的極高頻率 - 同樣，只要它們存在。富恩特斯說，她的計劃需要將BEC技術推向目前最先進的水平。「我認為這個想法非常大膽，」她說。物理學家認為，高頻重力波可以揭示大霹靂後第一秒左右發生的奇異物理學。「我們可以用它來研究非常高能量的宇宙狀態，」卡普裏尼說。
量子晶體：只需一秒鐘
探測重力波的最後一個更激進的建議是將物體同時放在兩個地方。
倫敦大學學院的物理學家Sougato Bose提出了一種裝置，將微米大小的鉆石晶體置於兩個量子態的疊加態中。在他的計劃中，水晶的兩個「角色」將被推開多達1公尺，然後再次組合在一起——這是一個非常微妙的過程，被比作在跌倒後將童謠角色矮胖子重新組合在一起。重力波的透過會使一個角色在分開時比另一個角色走得更遠，使他們在重聚時以可測量的方式不同步。整個過程大約需要一秒鐘才能完成，這將使裝置對大約 1 Hz 的重力波敏感。
這個想法非常雄心勃勃：到目前為止，這種量子技巧已被證明只適用於分子大小的物體，而且從來沒有人測試過量子怪異是否可以被推到這樣的極端。「將 Humpty Dumpty 重新組合在一起從未在水晶中得到證明，」Bose 說。
但是，如果這項技術能夠得到完善，那麽像這樣的桌面實驗就可以將重力波探測從幾個大型實驗室手中奪走。總之，這些技術可以開啟可以看到的窗戶。「前景非常樂觀，」卡普裏尼說。
