哈勃太空望遠鏡和詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）等軌道天文臺可以觀測到宇宙的遙遠過去——事實上，它們已經揭示了我們宇宙138億年曆史中最初5億年形成的一些最早的星系。再往更早的時間追溯，我們可以看到大爆炸遺留下來的餘熱，即宇宙微波背景（CMB）輻射，它是在宇宙歷史的約40萬年時發出的。但是，在CMB出現之後，在第一批恆星和星系形成之前，即所謂的宇宙黑暗時代深處，又是什麼時期呢？我們是否有可能目睹宇宙中最早的一些天體的誕生？對於哈勃和JWST來說，這項任務幾乎是不可能完成的：這些天體實在太小太暗了。但是，藉助新一代引力波天文臺，探測到一些早期宇宙來客——特別是黑洞——的動靜應該易如反掌。
最好的訊息是：這些天文臺已經在設計之中。“引力波時代已經到來，”耶魯大學的引力波天文學家基婭拉·明加雷利說。
上個月，歐洲航天局（ESA）批准了這一時代的最新里程碑，這是一個耗資15億歐元（16億美元）的空間天文臺，名為雷射干涉空間天線（LISA）。LISA由三艘自由飛行的航天器組成，每艘航天器在繞太陽執行的軌道上相隔250萬公里，它將搜尋目前地面探測器未見過的特定頻率的引力波。這些探測器包括美國的雷射干涉引力波天文臺（LIGO）/Virgo合作組織和義大利的Virgo合作組織——以及日本的神岡引力波探測器（KAGRA），儘管該天文臺的執行曾遭遇挫折——以及各種脈衝星計時陣列，如美國和加拿大的北美奈米赫茲引力波天文臺（NANOGrav），該天文臺去年做出了首次重大明確探測。LIGO及其同類探測器主要探測來自質量接近我們太陽質量的黑洞在合併時的引力波。脈衝星計時陣列觀測到來自更大的超大質量黑洞緩慢而致命的旋入的引力波，這些黑洞潛伏在像我們銀河系這樣的星系中心。但是LISA的專案首席科學家、歐空局天體物理學家諾拉·呂茨根多夫說，“我們錯過了中間的範圍”。
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這就是LISA的用武之地。LISA計劃最早於2035年發射，其三艘航天器每艘都將包含兩個小的、棒球大小的漂浮立方體，由黃金和鉑金製成。透過在這些立方體之間以及在其三艘航天器之間發射雷射，LISA將測量由引力波拉伸和壓縮空間時產生的立方體之間距離的微小變化，因為引力波會掃過我們的太陽系。然而，要進行如此精密的測量，需要的不僅僅是炫目的雷射：每個立方體都必須在太空中自由漂浮，以在圍繞太陽旋轉時儘可能接近完美的靜止狀態，同時防止來自外部力量（如太陽風）的任何可想象的擾動。“航天器將遮蔽來自深空的有害影響，”歐空局的LISA專案科學家奧利弗·詹裡奇說。這將使LISA能夠探測到波長——傳入波紋的峰峰值——為幾秒到幾小時的引力波，而LIGO/Virgo的波長為毫秒，脈衝星計時陣列的波長為年。“所有三個探測器都是互補的，”NANOGrav聯盟的明加雷利說。
這樣的波長是觀測星系中心質量小於脈衝星計時陣列敏感度的超大質量黑洞合併的視窗；LISA應該探測到質量在10,000到1000萬太陽質量之間的巨獸，而脈衝星計時陣列探測到的黑洞質量為“10億到100億太陽質量”，這些黑洞隱藏在比LISA將觀測到的星系更大的星系內部，NANOGrav主席、範德比爾特大學的斯蒂芬·泰勒說。這些陣列不太可能看到這兩個天體碰撞的實際時刻，因為旋入的超大質量黑洞可能需要數百萬年的時間才能在它們巨大的軌道分離中走到一起。但LISA可以觀測到其目標較小黑洞群的合併，並見證它們在合併發生前幾周甚至幾小時的最後時刻。呂茨根多夫說，利用LISA監測整個天空的星系，“我們預計每年會發生幾次合併”。“這仍然不確定，因為我們不知道超大質量黑洞在我們的宇宙中合併的頻率。我們從未探測過這一點。”
LISA及其同伴將使我們能夠以前所未有的方式瞭解宇宙中黑洞的性質和數量。由於其測量尺度小於現有探測器的測量尺度，LISA將無法見證其恆星質量黑洞的最終合併，這些黑洞是由坍縮的恆星形成的，像恆星一樣在星系內部軌道上執行，但它可以將觀測接力棒傳遞給LIGO和Virgo。地面天文臺應該有可能發現明顯的“啁啾聲”，因為LISA的目標黑洞螺旋式靠近，並將其發出的引力波轉移到較短的波長，而LISA的視野會逐漸消失。“我們可以結合這兩個測量結果，學到很多東西，”呂茨根多夫說——包括更好地估計合併黑洞的質量。
致謝：Moonrunner Design Ltd.（插圖）；Jen Christiansen（雷射干涉儀圖）
LISA也可能見證中等質量黑洞的結合，這是一類神秘的引力怪物，它們比恆星質量黑洞更大，比超大質量黑洞更小。到目前為止，科學家們一直在努力探測和研究它們。這些中等大小黑洞的合併可能是早期宇宙中超大質量黑洞的種子，這可能有助於解釋這些巨無霸是如何如此迅速地增長的。明加雷利說，如果中等質量黑洞存在於早期宇宙中，“它們將會相互合併，而LISA將會看到它們。”LISA也將對其他前所未有的事件敏感，例如較小的中子星或黑洞落入較大的超大質量黑洞的時刻，以及被稱為白矮星的恆星屍體在相互共軌時微妙而致命的舞蹈。美國宇航局領導的美國LISA團隊成員、西北大學的肖恩·拉爾森說，“銀河系中應該有數千萬個白矮星雙星系統。”
無論是黑洞還是死亡恆星，一起跳舞的天體都會在時空結構中丟擲引力波。正是這些漣漪被LISA和其他探測器觀測到，天體的質量決定了產生的引力波的波長，從而決定了哪個天文臺能夠發現它們。我們現在知道，這樣的雙星系統在宇宙中很常見，謝天謝地。如果沒有它們，引力波就不會推動一場正在進行的天文學革命；我們的探測器還遠遠不足以觀測到單個黑洞或其他巨大宇宙天體微弱的引力鼓聲。
LISA的工作原理意味著它將同時看到所有這些事件的所有訊號。“我們預計會有來自數千個來源的持續波，”呂茨根多夫說。除了工程上的障礙外，天文臺的真正挑戰——科學家們已經知道他們可以克服，這要歸功於2015年的先導任務LISA探路者，該任務在太空測試了自由漂浮立方體技術——是從宇宙噪聲海洋中梳理出攜帶大量訊號的波。對於依賴反射鏡將入射光反射到相機的傳統望遠鏡，您“知道望遠鏡指向哪個方向，”詹裡奇說。然而，引力波是無所不包的——從多個來源向所有方向輻射出的穩定漣漪流。“所以你不知道事物來自哪裡，”詹裡奇說。透過LISA在太空中的三角形形狀及其繞太陽執行的軌道進行仔細的三角測量，將嘗試識別和定位來源。
LISA將瞥見宇宙歷史最初2億年的事件。這可能不僅包括合併，還可能包括長期以來理論化的原始引力波的證據，這些引力波是在大爆炸之後宇宙中的相變之後遺留下來的，本質上是宇宙膨脹本身產生的時空漣漪。“如果真的存在原始引力波的背景，那麼這些訊號可能存在於脈衝星計時陣列和LISA中，”泰勒說。“我們應該能夠進行多波段搜尋。我對此感到非常興奮。”LISA也可以深入研究新的物理學，併為阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論提供新的測試。這包括測試“無毛”定理，即黑洞只能由其質量、自旋和電荷來定義，否則無法彼此區分。“我們可以探測這是否真的成立，或者它們是否具有違反該定理的屬性，”呂茨根多夫說。
科學家們對LISA感到非常興奮，但已經開始計劃建造更多的引力波天文臺。在歐洲，正在討論開始建造地面愛因斯坦望遠鏡，這是一種所謂的第三代引力波探測器，其規模和能力將超過LIGO和Virgo。在專案獲得批准後，預計將在2025年或2026年選定望遠鏡的選址，目標是在2036年左右完成建設，義大利國家核物理研究所（INFN）的米歇爾·蓬圖羅說，他是愛因斯坦望遠鏡的協調員。除了探測更多的合併和雙星系統外，愛因斯坦望遠鏡還將比以往任何引力波天文臺探測到更遠的宇宙——可能進入宇宙存在的前2000萬年。“我們可以探測到來自第一個恆星形成之前發生的事件的引力波，”蓬圖羅說。該專案的目標將包括原始黑洞——據信是在大爆炸後幾秒鐘內由熱物質口袋形成的——以及類似於LISA所尋找的中等質量黑洞。
LISA可能不會孤單地漂浮在太空中尋找引力波。中國有自己的類似LISA的任務計劃，名為太極，計劃在2030年代發射。拉爾森說，“我們很多人已經開始思考”這些任務如何相互補充。擁有兩個空間干涉儀可以提高每個設施的靈敏度，特別是在探測原始引力波方面，並且還將減輕三角測量和定位其他傳入引力波源所需的大量工作。正在考慮的另一個想法是利用月球作為引力波探測器。透過在月球表面放置一個靈敏的地震儀——可能透過美國宇航局即將進行的阿耳忒彌斯登月任務之一——科學家們可以監測月球因引力波不斷沖刷而產生的迴響。“波浪像鈴鐺一樣敲響月球，”INFN的揚·哈姆斯說，他是這個想法的倡導者。該探測器將對LIGO/Virgo和LISA之間的波長敏感，有可能揭示其他未見的事件，例如“合併的白矮星雙星系統”，哈姆斯說。
最終，LISA和其他類似的任務可能為更雄心勃勃的太空探測器鋪平道路——例如一個名為大爆炸觀測器（BBO）的提案，這是一種“超級LISA”。這將涉及不是一個由三艘航天器組成的三角形，而是三個或更多個三角形以編隊形式繞太陽飛行。蒙大拿州立大學的天體物理學家尼爾·康尼什說，重疊系統將使科學家能夠“找到宇宙中的每一顆中子星和每一個發射BBO將敏感的引力波的雙黑洞系統”。但是，繪製該地圖的目的是有效地將其從天空中抹去，以揭示僅來自一個剩餘引力波源的未知領域：大爆炸本身產生的訊號。“有了LISA，我們無法很好地消除所有訊號，”康尼什說。有了BBO，原始引力波將湧現。LIGO/Virgo、脈衝星計時陣列以及現在LISA的批准的成功可能會將對如此誘人任務的討論擺上桌面。“LISA提供了一個良好的起點，”康尼什說。“我希望這將開始發生。”