5月24日，國家科學基金會資助的雷射干涉引力波天文臺（LIGO）將恢復其對引力波的探測——引力波是時空曲率的微小週期性變化，由遙遠而劇烈的宇宙事件（如兩個碰撞的黑洞）產生。
有些人會說引力波科學家是幸運的，因為他們的領域在一系列變革性發現中取得了顯著成就，而這些發現都發生在不到十年的時間裡。在最初的三個觀測期中，引力波探測器發現或證實了一種新的天體物理現象。首先，在2015年，發現了黑洞的碰撞；兩年後，又發現了被稱為中子星的超緻密、死亡恆星的碰撞；然後在2019年，發現了質量出乎意料地不存在於宇宙中的天體。
過去的表現並不能保證未來的成功。然而，隨著LIGO在本月啟動（隨後是另外兩個探測器：義大利的Virgo和日本的KAGRA），我們有充分理由對繼續這種宇宙發現的趨勢保持樂觀。
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考慮到這些探測器如此高效，為什麼天文學家首先要開啟和關閉它們呢？簡單的答案是，引力波觀測建立在尖端技術之上，而這項技術正在迅速發展。這使得科學家能夠探測到引力波的宇宙範圍比首次直接探測發生時大一個數量級。然而，引力波探測器的升級是一項複雜且耗時的任務。它無法與觀測並行進行。因此有了觀測期：科學家們在改進探測器和監聽天空之間交替進行。
探測這大大擴充套件的宇宙空間幾乎可以保證觀測者將會在宇宙的壁櫥裡找到新的秘密——這些發現可能改變天體物理學和整個科學領域。在這裡，我們列出了我們最期待的六項潛在突破
1. 最重的黑洞。我們迄今為止用引力波探測到的最重黑洞的質量約為太陽的100倍。然而，得益於升級，我們的探測器現在對來自碰撞黑洞的引力波敏感，這些黑洞比太陽重1000倍。發現這些更重的黑洞將是一個改變遊戲規則的發現；它將告訴我們黑洞是如何增長的，以及其中一些黑洞是如何達到超大質量的，質量是我們的恆星的數百萬甚至數十億倍。我們知道大型星系中心的超大質量黑洞，但它們的起源目前仍然是一個謎。
2. 輻射黑洞碰撞。黑洞很特殊，因為沒有任何東西，甚至光都無法逃脫它們。然而，假設兩個黑洞在星際氣體雲中碰撞。這樣的碰撞可能會在這個周圍的物質中引發宇宙煙花。探測到這種碰撞的電磁或甚至中微子訊號，以及引力波，將是一項重大發現。有了這些資料，我們可以高精度地確定碰撞發生的位置和方式，獲得關於以前無法接近的極端宇宙環境的生動新細節。這種引力波訊號的精確定位還可以為天文學家提供一種新的、獨立的方法來測量宇宙膨脹的速度。
3. 宇宙中金和鉑的起源。雖然宇宙中大多數元素是在恆星內部透過熱核聚變形成的，但最重的元素，如金、鉑或鈾，需要一個特殊的創造過程。2017年，科學家們設法同時瞥見了引力波和一對碰撞中子星發出的光，揭示了這些事件如何以及產生多少這種較重的元素。中子星碰撞是否真的是宇宙黃金的主要來源仍不清楚，但可以肯定的是，發現和研究更多這類碰撞將解決目前激烈的爭論，並讓我們更好地理解生命存在的元素限制條件在宇宙中何時何地產生。
4. 附近的超新星爆發。在生命的盡頭，最重的恆星會以超新星的形式爆發，創造宇宙中最壯觀的事件之一。這些爆炸實際上始於內爆：恆星核在自身引力作用下坍縮，一旦達到臨界質量，就會導致巨大的能量突然釋放，將整顆恆星炸裂。發現來自這種“核坍縮”的引力波將使我們窺視爆炸的核心，揭示其早期階段，這些階段通常隱藏在垂死恆星表面的深處，不為我們所知。這可以告訴我們物質在密度超過原子核密度時的行為方式——即密度超過每湯匙材料1億公噸。
5. 愛因斯坦廣義相對論的失效。科學家懷疑我們目前的引力和時空理論是不完整的，因為我們無法將其與現實的量子力學描述相協調。部分問題是缺乏可能的實驗來同時測試強引力和大多數量子力學效應顯現的小空間尺度。黑洞可能是我們最接近這兩個極端的方式。這意味著，在高保真引力波觀測中尋找與廣義相對論的偏差，可能會改寫我們對空間和時間的一些基本理解。
6. “未知的”未知。歷史告訴我們，每當我們拓展視野時，都應該期待意想不到的事情發生。對於引力波天體物理學來說，情況也應如此。最令人興奮的變革將是我們發現一種新的天體型別或宇宙現象，以某種方式讓我們感到驚訝。幸運的是，科學家們為這種可能性做好了充分準備。引力波資料的搜尋不僅針對已知的、充分理解的訊號型別，也針對真正未知的訊號。
接下來是什麼？雖然這六項潛在突破可能在LIGO、Virgo和KAGRA探測器即將到來的觀測期內實現，但值得注意的是，未來更加光明。在未來幾十年裡，科學家和政策制定者將繼續探索新一代雄心勃勃的引力天文臺的可能性，其中一些是空間天文臺。這樣的天文臺可以將我們的科學和宇宙視野擴充套件到目前可實現的範圍之外。這些開創性專案不僅旨在探測更遠的地方，而且渴望能夠探測到來自幾乎整個宇宙的黑洞碰撞。對於未來，最大的驚喜將是沒有驚喜。
這是一篇觀點和分析文章，作者或作者表達的觀點不一定代表 《大眾科學》的觀點。