在關鍵升級停工三年後，世界各地的引力波天文臺本應重新啟動，比以往任何時候都更靈敏地探測時空中最微小的變形。
但技術問題破壞了這種樂觀的設想，並註定了5月24日開始的觀測執行將是溫吞的。對為期20個月的觀測活動，即所謂的“觀測執行4”（O4），現在的期望有所降低。義大利的Virgo探測器不會立即重啟；相反，它將進行維修，以修復斷裂的光纖造成的損壞。此外，日本新的神岡引力波探測器（KAGRA）的靈敏度遠未達到預期水平，並且僅將觀測一個月，然後關閉進行故障排除，目標是在2024年末重啟。這使得只有美國的兩個由國家科學基金會資助的雷射干涉引力波天文臺（LIGO）探測器——分別位於華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓——能夠從停工狀態中完全恢復執行。
然而，儘管有這些挫折，O4的科學潛力仍然巨大。觀測引力天文學領域是如此之新，以至於在已探測到的不到100個黑洞和中子星合併事件的基礎上，增加任何新發現都是真正的進步。“我們真的很期待重新開始觀測，”威斯康星大學密爾沃基分校的天體物理學家和LIGO的發言人帕特里克·布雷迪說。即使沒有Virgo和KAGRA的額外幫助，僅LIGO的升級就應確保該專案在O4中發現近300個新事件——大約每隔一天一個。
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這些新探測事件中的絕大多數將是由雙黑洞合併發出的引力波，這些引力波對於傳統望遠鏡是不可見的。至少有一些將來自兩個中子星（或中子星和黑洞之間）的地震式碰撞，這些碰撞不僅釋放出大量的引力波，還會釋放出顯著的光——千新星。2017年8月，Virgo在一次非凡的引力波系列（指定為GW170817）傳播到地球的幾周前剛剛啟動。在幾個小時內，研究人員就能夠結合Virgo和LIGO的資料，找出訊號的起源天空區域。
他們向其他天文學家發出警報，後者將光學望遠鏡指向該位置，並首次看到了千新星的光芒。探測到更多的千新星可以幫助研究人員回答關於元素起源、中子星質量極限甚至宇宙膨脹速度等有趣的根本問題。
來自千新星的答案可能不得不等到Virgo完成維修。僅靠LIGO的兩個探測器執行，對大多數合併事件進行高置信度探測變得更具挑戰性，並且在許多情況下，將引力波訊號定位到可搜尋區域可能是不可能的。（就在本文付印之際，LIGO 宣佈，它在其預執行模式中探測到一個新的中子星-黑洞合併事件。然而，它無法精確定位源頭。）
LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）的研究人員並不是唯一對O4結果感興趣的人。其他科學家也在熱切等待新的資料。“我仍然很興奮……如果我們能有更多的探測，我們可以澄清很多事情，”哈佛-史密森天體物理中心的天體物理學家列克·範·索恩說。她正熱切等待更多關於合併黑洞統計特徵的見解——特別是關於它們顯示的質量範圍。以圖表形式視覺化，黑洞質量的間隙和峰值可以揭示關於巨星死亡方式的新細節。
LVK合作組織以外的科學家可能不得不等待。除了相對罕見的需要立即進行光學後續觀測的事件（例如產生千新星的事件）之外，LVK合作組織計劃在前半段執行結束後大約18個月——從現在起總共28個月——才會更新其引力波目錄並公開全部O4資料。
另一方面，透過智慧手機應用程式，任何人都可以獲得帶有有限資料的即時通知——現在還帶有自定義的警報聲音。
如何訓練你的引力波探測器
沒有流體形成引力波。波本身是時空的扭曲，是由黑洞或中子星等大質量物體的運動引起的尾跡。當引力波掃過地球時，它們幾乎無法察覺——但並非完全如此。
探測引力波需要一個經過微調的儀器，原則上與經過微調的小提琴沒有太大區別。在實踐中，研究人員將雷射束射入兩個垂直的管道，每個管道長達數公里。每束光束在鏡子之間反射300次，直到兩束光束在其共同光源附近重新組合，在那裡可以分析它們是否存在引力波的痕跡。
波掃過時，會反覆改變雷射束路徑的長度，幅度極小——大約是質子直徑的萬分之一。這種微小的膨脹和收縮以大約10到100赫茲的頻率發生，並在一個光束與其垂直的孿生光束之間產生可測量的偏移。
這是如何發生的？想象一下小提琴家使用顫音演奏一根弦。透過快速來回搖動手指，小提琴家擴充套件和收縮琴絃，以產生音高的週期性變化。敏銳的聽眾可以很容易地聽到顫音的速率。類似地，引力波擴充套件和收縮空間，給雷射束帶來顫音。由於雷射的顫音比小提琴的顫音微妙得多，為了“聽到”它，研究人員必須將變化的光束與其穩定的孿生光束進行對比。這使他們能夠記錄透過的引力波的頻率，將雷射顫音轉換為可聽見的、標誌性的“啁啾”聲。
準確探測到雷射亞質子長度的變化需要儀器與噪聲隔離——各種隨機環境波動，無論是地震隆隆聲還是烏鴉的啄食。
事實上，LIGO和Virgo非常敏感，以至於它們必須考慮雷射光子撞擊產生的噪聲。“當光子反射時，它們會向鏡子傳遞動量，”加州理工學院物理學家和LIGO副主任阿爾伯特·拉扎里尼解釋說。為了限制噪聲，光子必須都具有相同的相位——基本上，它們需要幾乎同時擊中鏡子。以前，LIGO和Virgo只能在高頻（高於50赫茲）將光“擠壓”到相同的相位。得益於升級，包括在LIGO站點安裝了300米長的隧道，探測器現在可以將光擠壓到低至30赫茲。
這聽起來可能不多，但低頻擠壓已大大提高了LIGO的靈敏度，靈敏度以到最遠可探測雙中子星合併事件的距離來衡量。LIGO以前的靈敏度範圍為3.3億光年。現在，它已將其範圍提高了約50%，達到約5億光年的宇宙深度。（由於這個線性距離適用於三維空間體積，因此靈敏度的提高實際上應使探測率總體提高三倍。）
在Virgo，升級進展順利，直到去年11月，研究人員在一個鏡子上安裝了一個噪聲緩解系統。他們很快發現，懸掛鏡子的纖細玻璃纖維之一斷裂了。2017年也發生過類似的事件，當時一根玻璃纖維斷裂，導致延誤。對於這兩起事故，Virgo的研究人員都確定了一個可能的共同原因：在升級過程中，灰塵顆粒落在纖維上並削弱了它們。
“我們改進了真空室，以保護纖維，但仍然存在發生這種情況的小機率，”義大利國家核物理研究所的物理學家吉安盧卡·傑梅說，他最近被任命為Virgo的發言人。在2022年11月的事件發生後，Virgo的研究人員更換了斷裂的玻璃纖維。然而，仍然存在過多的噪聲。在4月下旬，受噪聲困擾的探測器只能探測到約8800萬光年——即其先前觀測執行靈敏度的一半。傑梅說，問題可能源於一塊“未牢固連線”的磁鐵，這至少部分是由去年11月發生故障的玻璃纖維引起的。5月11日，傑梅和Virgo合作組織宣佈，他們將繼續維修，而不是試圖以次優的靈敏度重新啟動。
“這對我們來說是一個艱難的決定，因為我們自2019年以來一直在為這次升級工作，”傑梅說。“我們真的想提高探測器的靈敏度，瞭解噪聲並解決問題。”他說，維修工作可能會在6月底完成——並補充說，更悲觀的時間表是Virgo在秋季重新加入LIGO。
Virgo並不是唯一遇到困難的探測器。三年前，專家們樂觀地預測，KAGRA的靈敏度將達到約4.24億光年。其首創的低溫設計和地下位置本應提供額外的保護，以抵禦環境噪聲。但各種挫折使KAGRA的靈敏度不到預期目標的1%。該設施目前的靈敏度僅延伸到約300萬光年，這意味著它只能探測到來自我們銀河系內部或附近的引力波源。東京大學物理學家和KAGRA發言人橫山順一表示，對於O4，該探測器將首先觀測一個月，然後關閉進行額外的除錯，旨在將其靈敏度再提高10倍——這個值仍將遠低於其最初的目標。
“他們正在建造一些前所未有的東西，所以他們正在發現新的問題，”拉扎里尼說。“這非常困難。”KAGRA在解決一些問題方面取得了進展。探測器的低溫冷卻鏡子受到薄霜層的困擾，這使得它們基本上無法使用。在停工期間，KAGRA的研究人員開發了一種五步冷卻策略，該策略使他們能夠在不結霜的情況下將鏡子冷卻到零下20開爾文。其他問題仍然沒有解決。例如，鏡子的角度感測機制不穩定，並且仍然存在來自尚未知來源的“神秘噪聲”。
“那是這項業務中最困難的部分，”橫山說，“識別噪聲的來源，並制定逐個消除它們的策略。”他拒絕分享該團隊對KAGRA神秘噪聲的分析——以及正在考慮哪些可能的修復措施，以使探測器恢復到其預計的靈敏度。
我們能聽到的所有引力
到2021年，引力波已如此擴充套件了已知黑洞的目錄，以至於LIGO團隊在Twitter上發起了一項挑戰：提出一個集體名詞來描述大量的黑洞。圍觀者提出了數百個候選名詞（“擠壓”、“空虛”、“尖叫”、“災難”、“質量”等等），儘管沒有官方獲勝者。
請將此視為遲來的提交：“黑洞的負擔”——既是對其物理質量的隱喻，也是對其莊嚴存在的隱喻——對物理學家來說意義重大。無論你怎麼稱呼它們，“黑洞的負擔”給LVK合作組織和O4帶來的任務與之前的所有執行幾乎沒有變化：一點點地剝開未知，一次新增一個新的合併事件，以逐步瞥見可能出現的任何更大的趨勢。
已經很明顯的是，透過引力波看到（或者更確切地說是聽到）的大多數黑洞都是由大質量恆星的超新星死亡陣痛形成的。這些恆星燃燒明亮而短暫，透過恆星風並在其末期將較輕的原子核聚變成較重的元素（如氧和鋁），共同塑造了整個星系，這些元素可以作為未來幾代恆星和行星的原料。然而，這些非常重要的大質量恆星也相對稀有，在我們銀河系鄰域中足夠稀疏，以至於難以對其恆星演化進行詳細研究。LVK合作組織不斷增加的黑洞負擔為研究提供了一條新的途徑。“所有這些大質量恆星的[黑洞]化石都為我們提供了一種方法，可以考古研究大質量恆星如何生存，並瞭解它們的生活方式，這是我們以前從未做到的，”範·索恩說。
黑洞的質量分佈開始形成模式。一個質量約為10個太陽質量的低質量峰值，低於該峰值的黑洞非常少，這表明，例如，大多數黑洞來自中等質量的恆星。
理論家預測，由於“對不穩定性”超新星，應該會在45到65個太陽質量附近出現另一個峰值。這些超新星比普通的超新星更強大，普通的超新星發生在恆星燃料耗盡並內爆時，輻射壓力突然喪失，類似於拆除支撐屋頂的支柱。“對不穩定性”超新星來自質量非常大的恆星，質量是太陽的130到250倍，並且基本上沒有重元素——這種情況可能會在它們耗盡燃料之前加速它們的死亡。內部的熱核聚變會變得如此劇烈，以至於核心中產生的光子不是支撐外層，而是花費能量來產生物質-反物質對，這會加速其內爆。
理論家們現在正在關注黑洞分佈中35個太陽質量的峰值，將其視為可能的、比預期更輕的對不穩定性峰值——或者相反，是完全不同的跡象。“我認為我們正在觀察一個完全未探索、無法解釋的特徵，”範·索恩說。
黑洞質量分佈中還預測了其他特徵，但尚未被觀測到。理論家預計，O4可能會揭示60或70個太陽質量左右的懸崖，因為如此重量級的黑洞將需要質量巨大的恆星，而這些恆星將不穩定到無法發光。如果沒有出現這樣的懸崖，則可能表明存在另一條尚未發現的通往龐大黑洞的途徑。
宇宙中也應該潛伏著更微妙的引力波源。並且有可能——部分原因是探測器靈敏度欠佳——LVK合作組織可以在O4中找出它們。
雖然黑洞之間的合併是短暫的事件，但一些源應該會產生連續的引力波。隨著探測器變得越來越靈敏，它們可能會捕捉到引力波背景——一種由數億萬年的波浪來回沖刷形成的白噪聲。或者他們可能會聽到中子星上的“山脈”。當幾個太陽的質量被壓縮成直徑為10公里的球體時，極端引力會將超稠密物質的山脈壓成毫米高的土堆。這些山脈包含大量的質量——一茶匙中子星物質重達1000萬公噸。快速旋轉的中子星可能會將這些山脈快速甩動，以至於它們會在時空中產生有規律的漣漪。正如引力波探測器所聽到的那樣，這些波浪不會漸強為啁啾聲，而是保持連續的嗡嗡聲。布雷迪說，這在O4期間是否可探測到“取決於中子星表面的山脈有多大”。
運氣在發現中起著重要作用。壯觀的雙中子星產生的GW170817來自2017年8月，天文學家之所以能看到它，是因為一股高能光束恰好指向地球。但基本的幾何推理表明，在90%到95%的情況下，這種光束的指向應該過於偏離我們的星球而無法探測到。其他估計表明，在O4中應該只發生大約6到10箇中子星事件。這是一個不錯的機會，但不能保證其中一個事件會排列成行，從而提供其光束的另一次直接觀測——尤其是在技術問題使三個引力波專案中的兩個停擺的情況下，這使得每個事件在天空中的定位都成為一個更高的障礙。
LVK合作組織在O4中對中子星合併事件的目標是儘可能早、儘可能頻繁地捕捉到它們，從而為其他天文臺提供更多機會來快速進行後續調查。當O4探測到有希望的訊號（可以定位的訊號，與剛剛宣佈的預執行探測不同）時，LVK合作組織將在30秒內向一個光學望遠鏡聯盟發出警報。“我們希望能夠儘快發出這些警報，以便天文學家可以真正開始指向他們的望遠鏡並做好準備，”佐治亞理工學院的物理學家和LIGO成員蘇拉比·薩奇德夫說。
儘管LVK合作組織無法告訴其他望遠鏡該怎麼做，但其成員希望，如果出現足夠誘人的事件，天文學家會選擇嘗試發現引力波探測器聽到的任何來源。
為未來傾聽
即使Virgo和KAGRA完全正常執行，真正新穎的科學也必須等待。下一代地面探測器，例如計劃中的愛因斯坦望遠鏡和宇宙探測器，旨在非常靈敏，以至於它們將聽到可觀測宇宙中每一次雙黑洞碰撞。大約每秒鐘，它們將探測到一個新的合併事件。
這樣的數字將完全使專有資料政策失效，例如LVK合作組織目前將其大部分發現保密約一年半的做法。“他們現在的設定是不可持續的，”範·索恩說。因此，計劃是下一代探測器將立即釋出資料，供任何人分析。
“它們將真正實現巨大的飛躍，”傑梅說。“但是，我們目前在探測器中學到的所有東西都將使這一飛躍成為可能。”例如，KAGRA的困境可能會轉化為訣竅，這將有助於研究人員駕馭計劃用於愛因斯坦望遠鏡的更雄心勃勃的低溫系統。
如果它們按計劃工作，宇宙探測器和愛因斯坦望遠鏡將迎來天文學的新時代：在這個時代，引力波不再像無線電波那樣稀有，來自早期宇宙碰撞到附近中子星上土堆大小山脈的微弱訊號將在世界各地迴盪，清晰響亮，供所有人聆聽。
編者注（5月23日）：本文在釋出後經過編輯，以更正可能導致黑洞的恆星型別以及對不穩定性超新星中發生的熱核聚變的描述。文字先前已於5月23日進行了修訂，以更正對千新星的描述。