在中断了三年之后，美国科学家刚刚开启了能够测量引力波的探测器——引力波是空间本身在宇宙中传播的微小涟漪。
与光波不同，引力波几乎不受充满宇宙的星系、恒星、气体和尘埃的阻碍。这意味着通过测量引力波，像我这样的天体物理学家可以直接窥视宇宙中一些最壮观现象的核心。
自 2020 年以来，激光干涉引力波天文台（俗称LIGO ）一直处于休眠状态，同时进行了一些激动人心的升级。这些改进将显着提高 LIGO 的灵敏度，并使该设施能够观察到更远的物体，这些物体在时空中产生的涟漪更小。
通过检测更多产生引力波的事件，天文学家将有更多机会观察这些相同事件产生的光。 通过多种信息渠道观察一个事件，一种称为多信使天文学的方法，为天文学家提供了难得且令人垂涎的机会，以了解远远超出任何实验室测试领域的物理学。
根据爱因斯坦的广义相对论，大质量物体会扭曲它们周围的空间。图片来源： vchal/iStock 来自 Getty Images
时空涟漪
根据爱因斯坦的广义相对论，质量和能量会扭曲空间和时间的形状。时空的弯曲决定了物体如何相对于彼此移动——人们将其体验为引力。
当黑洞或中子星等大质量天体相互融合时，会产生引力波，从而在空间中产生突然的巨大变化。空间扭曲和弯曲的过程像波浪穿过静止的池塘一样在宇宙中泛起涟漪。这些波从扰动中向四面八方传播，在它们这样做的过程中微小地弯曲空间，并且稍微改变沿途物体之间的距离。
尽管产生引力波的天文事件涉及宇宙中一些最大的物体，但空间的拉伸和收缩是无限小的。穿过银河系的强大引力波可能只会使整个银河系的直径改变三英尺（一米）。
第一次引力波观测
尽管爱因斯坦于 1916 年首次做出预测，但那个时代的科学家几乎没有希望测量引力波理论所假设的距离的微小变化。
大约在 2000 年，加州理工学院、麻省理工学院和世界其他大学的科学家们完成了有史以来最精确的尺子——LIGO的建造。
位于华盛顿州汉福德的 LIGO 探测器使用激光测量由引力波引起的微小空间拉伸。图片来源： LIGO 实验室
LIGO 由两个独立的天文台组成，一个位于华盛顿州的汉福德，另一个位于路易斯安那州的利文斯顿。每个天文台的形状都像一个巨大的 L 形，有两个 2.5 英里（四公里）长的臂从设施中心以 90 度向外延伸。
为了测量引力波，研究人员将激光从设施中心发射到 L 的底部。在那里，激光被分开，使光束沿着每个臂向下传播，从镜子反射并返回到底部。如果引力波在激光照射时穿过手臂，两束光束将在非常不同的时间返回中心。通过测量这种差异，物理学家可以辨别出引力波通过了该设施。
LIGO 于 2000 年代初开始运行，但它的灵敏度不足以探测引力波。因此，在 2010 年，LIGO 团队暂时关闭设施以进行升级以提高灵敏度。升级版 LIGO 于 2015 年开始收集数据，几乎立即探测到两个黑洞合并产生的引力波。
自 2015 年以来，LIGO 已完成三轮观测。第一次，运行 O1，持续了大约四个月；第二个，O2，大约九个月；第三个 O3 在 COVID-19 大流行迫使设施关闭之前运行了 11 个月。从 run O2 开始，LIGO 一直在与意大利 Virgo 天文台联合观测。
在每次运行之间，科学家们改进了探测器的物理组件和数据分析方法。到 2020 年 3 月 O3 运行结束时，LIGO 和 Virgo 合作的研究人员已经探测到大约 90 个来自黑洞和中子星合并的引力波。
天文台仍未达到其最大设计灵敏度。于是，2020年，两个天文台再次关闭升级。
机械设备和数据处理算法的升级应该能让 LIGO 探测到比过去更微弱的引力波。图片来源： LIGO/Caltech/MIT/Jeff Kissel ， CC BY-ND
进行一些升级
科学家们一直致力于许多技术改进。
一个特别有前途的升级涉及添加一个 1,000 英尺（300 米）的光学腔，以改进一种称为挤压的技术。挤压使科学家能够利用光的量子特性来减少检测器噪声。通过这次升级，LIGO 团队应该能够探测到比以前弱得多的引力波。
我和我的队友是 LIGO 合作项目的数据科学家，我们一直致力于对用于处理 LIGO 数据的软件和识别该数据中引力波迹象的算法进行多种不同的升级。这些算法通过搜索与数百万可能的黑洞和中子星合并事件的理论模型相匹配的模式来发挥作用。与以前版本的算法相比，改进后的算法应该能够更容易地从数据中的背景噪声中找出引力波的微弱迹象。
天文学家捕捉到了由单一事件（两颗中子星合并）产生的引力波和光。在右上角的插图中可以看到几天内光线的变化。图片来源： 哈勃太空望远镜、NASA 和 ESA
天文学的高清时代
2023 年 5 月上旬，LIGO 开始了一次短期试运行——称为工程运行——以确保一切正常。 5 月 18 日，LIGO 探测到可能由中子星并入黑洞产生的引力波。
LIGO 为期 20 个月的第 4 次观测于 5 月 24 日正式开始，随后 Virgo 和一个新的日本天文台——神冈引力波探测器 (KAGRA) 也将加入。
虽然这次运行有许多科学目标，但特别关注实时探测和定位引力波。如果该团队能够识别引力波事件，找出引力波的来源并迅速提醒其他天文学家注意这些发现，这将使天文学家能够将其他收集可见光、无线电波或其他类型数据的望远镜指向源头的引力波。收集关于单个事件的多个信息渠道——多信使天体物理学——就像在黑白无声电影中添加颜色和声音，可以提供对天体物理现象更深入的理解。
迄今为止，天文学家仅在引力波和可见光中观测到一次事件——2017 年观测到的两颗中子星合并。但是从这一次事件中，物理学家能够研究宇宙的膨胀，并确认宇宙中一些最具活力的事件（称为伽马射线暴）的起源。
通过运行 O4，天文学家将能够访问历史上最灵敏的引力波天文台，并有望收集到比以往更多的数据。我和我的同事们希望，在接下来的几个月里，将产生一个——或者可能是多个——多信使观测结果，从而突破现代天体物理学的界限。
本文根据知识共享许可从The Conversation重新发布。 阅读原文。
图片来源：NASA 戈达德太空飞行中心/Scott Noble；模拟数据，d’Ascoli 等人。 2018