两个相互环绕的黑洞产生频率递增的引力波。新的仪器和技术可能会在数周甚至数年内关注这种合并。图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心概念图像实验室
2015年9月，一次持续五分之一秒的振动改变了物理学史。这是 第一次直接探测到引力波——时 空几何中的扰动，以光速在宇宙中移动。
天文学家说，这就像获得了一种新的感觉——就好像直到2015年，他们只能「看到」宇宙事件，现在也可以「听到」它们。从那时起，在路易斯安那州和华盛顿州的激光干涉仪引力波天文台（LIGO）的两个大型设施以及意大利比萨附近的兄弟处女座天文台记录引力波的通过几乎已成为日常工作。
引力波的探测 为探索自然法则和宇宙历史提供了新的方法 ，包括关于黑洞生命故事及其起源的大恒星的线索。对于许多物理学家来说，引力波科学的诞生是过去十年中一个罕见的亮点，瑞士日内瓦大学的理论物理学家Chiara Caprini说。其他有前途的探索领域令人失望： 暗物质搜索 一直空手而归;日内瓦附近的大型强子对撞机在希格斯玻色子之外没有发现任何东西;甚至一些 有希望的新物理学 的暗示似乎也在消退。「在这个相当平坦的景观中，引力波的到来是一股新鲜空气，」卡普里尼说。
这个难得的亮点看起来会变得更加明亮。
到目前为止，所有发现的100多个引力波事件都只是物理学家认为存在的一小部分。LIGO和Virgo打开的窗口相当狭窄，主要局限于100-1000赫兹范围内的频率。当成对的重恒星或黑洞慢慢地相互盘旋时，在数百万年的时间里，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，引力波涟漪进入这个可探测的范围。但这只是预计会产生引力波 的众多现象 之一。
LIGO和Virgo是激光干涉仪：它们的工作原理是检测沿垂直臂发射的激光的传播时间的微小差异，每个垂直臂都有几公里长。当引力波冲刷它们时，手臂以微小的量膨胀和收缩。研究人员现在正在研究几个下一代LIGO型天文台，包括地球上和太空中的激光干涉仪空间天线;有些人甚至提议在月球上建造一个 1 .其中一些可能对频率低至1赫兹的引力波敏感。
但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，希望捕捉到更多种类的引力波，频率在兆赫兹到纳赫兹范围内（参见「打开引力波的窗口」）。
通过扩大观测窗口，天文学家应该能够观察黑洞相互盘旋数天、数周甚至数年，而不仅仅是捕捉碰撞前的最后几秒钟。他们将能够发现由完全不同的宇宙现象产生的波 - 包括巨型黑洞，甚至是宇宙本身的起源。他们说，所有这一切都将揭开宇宙中许多剩余的秘密。
脉冲星定时阵列：捕捉持续十年的波浪
去年，干涉仪的一个可行替代品进入了游戏。
自2000年代初以来，射电天文学家一直试图将整个银河系用作引力波探测器。诀窍是监测数十颗称为脉冲星的中子星。它们在每秒绕轴旋转数百次，同时发射射频束，每转一圈都会产生看起来像光脉冲的东西。
席卷银河系的引力波会改变地球和每颗脉冲星之间的距离，从而在一年到下一年的探测脉冲星频率中产生异常。对脉冲星集合或脉冲星阵列的观测 - 称为脉冲星定时阵列（PTA） - 应该能够探测到频率仅为纳赫兹的引力波引起的变化，例如，成对的超大质量黑洞可能产生的变化。这种波浪的连续波峰需要几十年的时间才能通过给定的有利位置，这意味着需要数十年的观测才能发现它们。
2023年，PTA技术 开始结出硕果 。康涅狄格州纽黑文耶鲁大学的天体物理学家Chiara Mingarelli说，在北美、欧洲、澳大利亚和中国进行的四项独立合作揭示了一种 诱人 的暗示，即一种来自引力波的随机「随机背景」的模式，这些引力波使地球四处晃动，可能是由超大质量黑洞双星的刺耳声音引起的。
这些团队还没有使用「发现」这个词，因为每次合作所揭示的证据还不是坚如磐石的。但其中三个小组——除了中国小组之外——现在正在汇总他们的数据并进行联合分析，希望能找到「D」字。这需要艰苦的工作，因为每个小组处理其原始数据的方式略有不同，因此至少需要一年时间才能发表，弗吉尼亚州夏洛茨维尔美国国家射电天文台的天体物理学家斯科特·兰瑟姆（Scott Ransom）说。
「在我们目前的数据中，我们几乎可以肯定有个别超大质量黑洞双星的暗示，」Ransom说。他补充说，随着每增加一年的观测，他们应该更接近于从嘈杂声中解析出单个黑洞对。「事情只会越来越好。」
微波望远镜：发现来自大爆炸的波
在LIGO于2015年探测到引力波的前一年，一组宇宙学家使用名为BICEP2的南极望远镜声称发现了引力波 - 不是直接的，而是在称为宇宙微波背景（CMB）的光模式中，有时被描述为大爆炸的余辉。
BICEP2的说法被证明还为时过早 ，但宇宙学家现在正在加倍努力。在智利北部阿塔卡马沙漠的一座山顶上，正在建立一系列比BICEP2更强大的望远镜，称为 西蒙斯天文台 。一些研究人员对一个名为CMB-S4的更强大的阵列抱有希望（最初提议在智利和南极包括12台望远镜）——尽管在5月，由于美国南极基地年久失修，该项目的计划被搁置。
宇宙学家在CMB中寻找的是其偏振漩涡中的特定「B模式」模式 - 微波摆动的优先方向 - 这将被引力波的通过所印上。该理论认为，这种波应该是由暴胀产生的，暴胀是宇宙膨胀的快速爆发，被认为发生在大爆炸时期 2 .暴胀可以解释宇宙许多最引人注目的特性，例如它的平坦度和质量的分布方式。暴胀产生的引力波本来会以高频开始，但现在会以大约 10 的低频率开始 −14 赫兹。
尽管暴胀是公认的宇宙学理论的基石，但目前还没有证据证明这一点。B模式将是吸烟枪，此外，还将揭示所涉及的能量尺度，这将是了解是什么推动了通货膨胀的第一步。
问题是，没有人知道这个能量尺度是否足够大，以至于留下了明显的痕迹。「暴胀预测了B模式，但我们不知道它是否大到足以被探测到，」马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学的理论天体物理学家Marc Kamionowski说。但是，如果领先的模型是正确的，那么西蒙斯天文台或CMB-S4最终应该会找到它，他说。
原子干涉测量：缩小差距
尽管其中许多项目将引力波科学推向了更低的频率，但它们在1赫兹以下留下了一个关键的差距。
探测到这样的频率可以揭示黑洞的合并，这些黑洞的质量比LIGO所看到的要大得多（LIGO发现来自坍缩恒星的波，这些恒星的质量最多只有几十个太阳质量）。「这是一个未开发的区域，但它可能有很多黑洞，」卡普里尼说。
杰森·霍根（左）和马克·卡塞维奇（Mark Kasevich）正在研究原子干涉仪，这种设备可以揭示比当前激光干涉仪看到的黑洞质量大得多的合并。 图片来源：洛杉矶西塞罗和斯坦福大学
伦敦帝国理工学院的物理学家奥利弗·布赫米勒（Oliver Buchmüller）表示，一种新兴的技术可能会派上用场。「原子干涉测量处于我们目前无法用任何其他技术探索的空白，」他说。原子干涉仪是一种垂直的高真空管道，原子可以在重力作用下释放并允许其下落。当他们这样做时，物理学家用激光挠原子，使它们在激发态和松弛态之间切换——与原子钟使用的原理相同。「我们正试图将这种原子钟技术推向最终的可能性，」加利福尼亚州斯坦福大学的物理学家Jason Hogan说。
为了探测引力波，物理学家计划将两组或多组不同高度的原子放入同一垂直管道内，并测量激光脉冲从一组原子传播到另一组原子所需的时间，霍根说。引力波的通过将导致光在它们之间花费的时间略少或略多——这种变化小于1000亿分之一。
斯坦福大学（Stanford University）的开创性实验开发了10米高的原子干涉仪，但探测引力波需要至少1公里高的设备，这些设备可以安装在矿井中，甚至可以安装在太空中。作为第一步，世界各地的几个小组正计划建造100米原子干涉仪作为试验台。其中一个名为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中，计划于2027年完工。
台式探测器：提高频率
其他研究人员正在探索用更小（更便宜）的探测器探测引力波的方法，包括一些可以安装在桌面上的探测器。这些旨在观察极高频的重力波。已知的现象可能不会产生这样的波，但一些推测理论确实预测了它们。
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）看起来像一个玩具LIGO：它在相距仅1米的成对镜子之间反射激光。LSD是一种新型仪器的原型，旨在使用共振来感知引力波：同样的原理是，如果时机恰到好处，即使是很小的推动也可以使荡秋千的孩子越来越高 3 .
在LSD每个臂内的真空中，激光悬浮着一个只有几微米宽的粒子。与干涉仪一样，引力波的通过将交替拉长和压缩每个臂的长度。如果引力波的频率与设备的频率共振，那么激光就会给粒子带来许多微小的冲击。LSD可以以飞米的精度跟踪粒子的运动，西北物理学家安德鲁·杰拉奇（Andrew Geraci）说，他是该项目的负责人。
LSD被设计为对频率约为100 kHz的引力波敏感。如果该团队能够控制实验噪声，并且前提是存在这样的波，那么这个原型可能已经有机会探测到一些噪声。「根据你的乐观程度，即使使用1米的仪器，我们也有可能测量到该频段的真实信号，」Geraci说。他补充说，未来的版本可以放大到100米长的手臂，这将提高它们的灵敏度。
英国南安普顿大学的理论物理学家伊维特·富恩特斯（Ivette Fuentes）有一个想法，那就是制造一个更小的谐振探测器。她的目标是利用一种称为玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）的奇异物质状态的声波 - 一种保持在绝对零度以上几百万分之一度的温度下的原子云。如果引力波以与声波共振的频率通过，则可以检测到它。因为寻找这个信号的行为会破坏BEC，所以每秒都需要释放出新的原子洪流。富恩特斯说，这个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 MHz或更高的极高频率 - 同样，只要它们存在。富恩特斯说，她的计划需要将BEC技术推向目前最先进的水平。「我认为这个想法非常大胆，」她说。物理学家认为，高频引力波可以揭示大爆炸后第一秒左右发生的奇异物理学。「我们可以用它来研究非常高能量的宇宙状态，」卡普里尼说。
量子晶体：只需一秒钟
探测引力波的最后一个更激进的建议是将物体同时放在两个地方。
伦敦大学学院的物理学家Sougato Bose提出了一种装置，将微米大小的钻石晶体置于两个量子态的叠加态中。在他的计划中，水晶的两个「角色」将被推开多达1米，然后再次组合在一起——这是一个非常微妙的过程，被比作在跌倒后将童谣角色矮胖子重新组合在一起。引力波的通过会使一个角色在分开时比另一个角色走得更远，使他们在重聚时以可测量的方式不同步。整个过程大约需要一秒钟才能完成，这将使设备对大约 1 Hz 的引力波敏感。
这个想法非常雄心勃勃：到目前为止，这种量子技巧已被证明只适用于分子大小的物体，而且从来没有人测试过量子怪异是否可以被推到这样的极端。「将 Humpty Dumpty 重新组合在一起从未在水晶中得到证明，」Bose 说。
但是，如果这项技术能够得到完善，那么像这样的桌面实验就可以将引力波探测从几个大型实验室手中夺走。总之，这些技术可以打开可以看到的窗户。「前景非常乐观，」卡普里尼说。
