回想四年前,引力波是当时的热门话题。2015年9月14日第一次检测ligo -处女座的合作在时空中产生了巨大的涟漪,这一成果在几个月后公布,值得在全球范围内大肆宣传。现在,随着发现四周年的临近,这一领域已经戏剧性地成熟起来,随后又有几十个发现被发现,而更多令人兴奋的发现的前景即将出现。

麻省理工学院的Nergis Mavalvala说,这一领域“出现了爆炸式增长”。“我真的对我们所取得的成就感到惊讶。无论是在天体物理学方面,还是在仪器方面,这都是令人震惊的。”

包括第一次发现,迄今为止,在三次观测过程中,总共有23次确认的引力波探测。其中20个是黑洞合并,两个是中子星合并,还有一个是已知的第一个黑洞和中子星合并的例子。每一次探测本身都令人兴奋,但探测数量之多——从每月一次增加到每周近一次,这要归功于LIGO在2018年和2019年升级,提高了其灵敏度——令人印象深刻。据估计引力波观测站可以每小时捕捉一次合并到2023年。俄勒冈大学的本·法尔说:“引力波天文学的发展是多么迅猛,怎么说都不为过。”

由于这种爆炸式的增长,天体物理学的多个分支学科都取得了显著的进展。芝加哥大学的Daniel Holz说,黑洞合并的研究,由于大量观测到的事件,现在看起来几乎是“无聊的”,尽管如此,它正在转变。他说:“我们正迅速进入人口和统计领域。”“我们不是分析一个,而是分析一大堆。现在我们来看看分布方法,有多少大,有多少小。即使它们仍然是‘无聊’的,但无聊事件的分布是迷人的。”

与此同时,LIGO和处女座观测到的第一个中子星合并,帮助研究人员探索宇宙本身的一些基本方面。西北大学的克里斯托弗·贝里指出,在引力波发出1.6秒后,其他望远镜探测到了该事件的伽马射线,这使得对引力速度与光速的对比进行了前所未有的测试。他说:“我们预计它们到达的时间会有一点不同,因为它们不一定是同时产生的。”“但1.6秒的事实让我们可以测试光速和重力的速度真的是一样的,就像广义相对论中预测的那样。”

科学家们希望探测相对论的另一种方法是观测被大质量物体“引力透镜化”的引力波。正如光在穿过星系和其他大质量物体的引力场时可以弯曲和放大一样,引力波也应该以同样的方式弯曲。上个月,当两个看起来相似的引力波信号仅相隔21分钟掠过地球时,天文学家们一度为可能探测到这样的事件而兴奋不已——这暗示着引力波可能来自同一个来源,并被透镜化了。不幸的是,进一步的研究表明,连续的信号来自天空的两个不同方向,但天文学家仍然希望在未来发现这样的事件,尽管这可能不容易。加州大学欧文分校(University of California, Irvine)的研究员Asantha Cooray说:“偶然对齐的可能性真的很小。”他没有参与LIGO/Virgo合作项目。“你必须(进行数百次观察)才能看到其中的一个东西。”

透镜事件并不是天文学家预期的唯一未来发现。其中最吸引人的是可能探测到由爆炸的超新星引起的引力波。然而,这样的事件很可能需要发生在我们的星系中,才能让LIGO和Virgo探测到它。霍尔兹说:“这种情况大约一个世纪发生一次。”“据我们所知,在过去四年里,这种情况并没有发生。所以这是我们还需要等待的。有一天它会发生。”

更有野心的是,科学家们还认为有可能在某一天看到原始引力波,即大爆炸后的几分之一秒所遗留下来的。这种波将使研究人员能够比以往任何时候都更深入地回顾宇宙的诞生。马瓦拉说:“作为观测者,我们看到的最早的光是在宇宙40万年前发出的。”“而引力波从大爆炸后的最初时刻就向我们涌来。”不幸的是,这种波的信号应该非常微弱,只有所谓的第三代引力波探测器,如美国计划中的宇宙探索者或欧洲的爱因斯坦望远镜,才有能力探测到它们。

当然,引力波泛滥也揭示了意想不到的新奥秘。其中一个例子是参与这些合并的黑洞的未知来源,这些黑洞被称为恒星质量黑洞,因为它们的质量是我们太阳的几倍。“你可能会天真地认为,这类黑洞是普通恒星变成超新星的残余,”马瓦瓦拉说。“但我们知道,普通恒星无法增长到几十个太阳质量那么大。因此,这种地层情况并不容易得到支持。”另一种可能性是,它们是小黑洞合并的结果,但这需要宇宙中无数小黑洞的数量来解释我们看到的合并的数量。真正的答案目前还难以捉摸。

四年过去了,引力波天文学的发展丝毫没有放缓的迹象。“我认为这是一场革命,”贝里说。“我们真的打开了我们的眼睛,看到了外面的东西,那些我们只能通过引力波揭示的看不见的东西。”随着探测到的数量越来越多,还会有更多的发现。