編者注（2017年10月3日）：今年的諾貝爾物理學獎授予了萊納·魏斯、巴里·C·巴里什和基普·S·索恩，“因為他們對LIGO探測器和引力波觀測做出了決定性的貢獻。”這篇文章重新浮出水面，旨在強調科學家們在不久的將來和遙遠的未來搜尋難以捉摸的時空漣漪的計劃。
一個世紀前，當阿爾伯特·愛因斯坦首次預測了引力波的存在時——引力波是由宇宙中高速運動的巨大物體產生的時空中微妙的漣漪——他也猜測它們永遠無法被看到。儘管遙遠天體交響曲的回聲必然會 Ripple 在現實的結構中，愛因斯坦認為他們空靈的和聲註定永遠無人聽到。
週四，使用雷射干涉引力波天文臺（LIGO）的科學家證明了愛因斯坦既對又錯，宣佈探測到他預測沒有人會聽到的宇宙交響曲中的第一個音符。 這是一個由兩個較小的黑洞合併而成的黑洞災難性誕生產生的引力波的咕嚕聲。 這些波在遙遠的星系中發射出來時，多細胞生物才剛剛開始在地球上繁衍生息，它們以光速傳播了十多億年，最終於去年九月沖刷過我們的星球，僅用了七毫秒就穿越了LIGO在路易斯安那州和華盛頓州的孿生監聽站之間的距離。
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現在，與一個世紀前幾乎無法想象引力波會被看到的愛因斯坦不同，搜尋難以捉摸的時空漣漪的科學家們已經為不久的將來和遙遠的未來的更多探測器和天文臺制定了宏偉的計劃。
“想象一下，光從未被收集到照片中，”巴納德學院哥倫比亞大學的天體物理學家、即將出版的關於LIGO的書的作者詹娜·萊文說。“人們首先想做的就是捕捉記錄，這就是LIGO所做的。”
不久之後，天文學家說，LIGO將記錄和揭示的遠不止新生黑洞的誕生之聲。 它和其他正在執行的天文臺已經在尋找來自大質量恆星劇烈死亡掙扎和城市大小的簡併物質球體（稱為中子星）碰撞的漣漪。 目前的天文臺還可以幫助揭示是什麼讓稱為脈衝星的自旋中子星滴答作響，繪製它們被星震震動的內部結構以及可能在其表面彈出的任何釐米高的“山脈”（由於中子星的極端密度，其重量大約相當於一顆行星的質量）。
幾十年後，新一代空間望遠鏡可能會捕捉到超大質量黑洞的合併，並瞥見脈衝星螺旋式墜入它們的巨口，或者看到“宇宙弦”的斷裂，“宇宙弦”是質子薄的星系際時空缺陷，可能在宇宙膨脹的早期階段被拉伸到整個嬰兒宇宙。 透過射電望遠鏡跟蹤和計時，快速旋轉的脈衝星本身可以轉化為星系範圍的探測器，對波長以光年為單位的時空漣漪敏感。 最終，天文學家目前能夠構想的最雄心勃勃的引力波天文臺可能有一天能夠記錄下大爆炸後萬億分之一秒內的最初瞬間發出的波的嘶嘶聲。 屆時，宇宙學家可以觀看——可以傾聽——宇宙結構的最初種子如何從沸騰的量子霧中結晶出來。
然而，最令科學家興奮的是未知。“是否有我們從未用望遠鏡思考過的東西？” 萊文想知道。“看到黑洞碰撞是一個黃金般的發現，但我們預料到了這一點。 還有什麼？ 我想看到一些黑暗的東西。”
“天空將永遠不會一樣，”哥倫比亞大學的物理學家和LIGO團隊成員 Szabolcs Márka 說。“想象一下，你可以觸控、聞、嘗和看——有一天你可以聽。 那一天是光榮的一天。 這就是我們人類所發生的事情。 從今天開始，我們可以聽到宇宙的聲音。 我們可以看到看不見的東西。”
有史以來最昂貴的“虛無” 。
在找到第一個訊號後，LIGO現在正準備將它們轉變為天文學的常規工具。 雙LIGO站都使雷射在垂直的四公里長臂之間的鏡子之間來回穿梭，這些臂呈L形排列。 入射波會稍微扭曲這些臂，使一個臂比另一個臂長或短僅千分之幾質子半徑，從而改變光的飛行時間並觸發探測。 任何數量的背景噪聲都可能破壞精細的測量——LIGO還可以聽到海浪拍打遙遠的海岸線、頭頂飛過的飛機，甚至洗衣機發出的地震嗡嗡聲。
“我們試圖探測比構建我們探測器的原子更小的東西，”LIGO成員和哥倫比亞大學講師 Imre Bartos 說。“老實說，這聽起來令人難以置信。” LIGO之所以能夠聽到引力波，並在背景噪聲的嘈雜聲中聽到，是因為兩個站最近都進行了一系列降噪“高階LIGO”升級，這將使它們比2002年至2010年期間進行的徒勞的第一代搜尋靈敏10倍。 總而言之，這些升級使實驗的總成本超過10億美元，其中大部分由國家科學基金會支付。 Márka 俏皮地說，LIGO的超高真空密封完美是“有史以來最昂貴的‘虛無’”。
隨著高階LIGO達到其最大靈敏度並計劃在印度建立第三個監聽站，它將與歐洲其他雷射干涉儀（如GEO600和高階VIRGO）協同工作，以迅速使引力波的探測成為例行公事。 “我們剛剛製造了一臺機器，它給了人類一種新的感覺，超越了通常的五種感覺，”LIGO團隊成員、幫助開發升級的加州理工學院物理學家拉納·阿迪卡里說。“我們將不得不學習用這些全新的引力手指感受空間的咕嚕聲是什麼感覺。”
隨著引力波即將透過地球上幾個高精度雷射干涉儀傳播，天文學家也將能夠定位每組漣漪的確切來源。 相比之下，LIGO首次探測到的黑洞碰撞只能追溯到南半球天空中的一個巨大弧線。 精確定位引力波的來源將使天文學家能夠將其他望遠鏡指向它們，從而提高透過X射線、伽馬射線、無線電波、中微子等更多方式瞭解它們的可能性。
埋藏噪聲
然而，當前一代地面雷射干涉儀只能到此為止。 干涉儀的臂的長度、數量和位置密切影響其抵抗背景噪聲的能力以及它可以探測的引力波的種類。 LIGO的四公里長的臂是世界上最大的，但在該專案的路易斯安那州站點，附近巴吞魯日的不斷蔓延和嘈雜已經離精密的探測器太近了，令人感到不安。
研究人員現在正在規劃和建造下一代更大、更隔離的探測器，這些探測器深入地下，數百米厚的覆蓋岩石可以遮蔽大多數人為噪聲和地震應力。 在日本神岡礦山，神岡引力波探測器（KAGRA）已經初具規模，工人們正在新開鑿的隧道中建造雙套三公里長的臂。 KAGRA計劃於2018年投入執行，將使用藍寶石低溫冷卻鏡提供類似LIGO的靈敏度。
繼KAGRA之後，一個歐洲合作伙伴聯盟正在制定一項初步計劃，建立一個更具雄心的地下雷射干涉儀，即愛因斯坦望遠鏡，該望遠鏡可能會在2020年代後期上線，耗資10億或20億美元。 雖然它目前缺乏資金和施工場地，但其概念設計要求雙低溫和室溫光束線穿過三個10公里長的臂，這些臂呈等邊三角形而不是L形排列。 這種配置將有助於它精確定位天空中引力波的來源，並使其能夠看到來自更廣泛來源的更長波長漣漪，包括雙白矮星、自旋速度較慢的脈衝星以及重達數百或數千個太陽質量的中等質量黑洞。 它還將開始構建相當詳細的“背景”引力波源地圖——來自整個天空所有混亂、劇烈的合併和爆炸的累積漣漪。
“人們想知道為什麼我們不滿足於一個引力波探測器，為什麼我們希望建造更大的探測器，”德國漢諾威馬克斯·普朗克引力物理研究所的物理學家哈拉爾德·呂克說，他是GEO600和愛因斯坦望遠鏡團隊的成員。 “與電磁輻射一樣，引力波覆蓋了令人難以置信的波長範圍，你無法用任何單一設施捕獲所有波長。” 呂克說，在地面上，雷射干涉儀的臂不太可能超過50公里——超過50公里，地震噪聲、地球曲率、不完美的光學器件以及挖掘深隧道的巨大成本將超過任何可以想象的科學收益。
遲早，放棄地球，在太空中建造和執行真正巨大的引力波天文臺將更便宜。
太空是理想之地
每當第一個引力波任務發射到太空時，射電天文學家都會挖苦地說他們是第一個到達那裡的。 研究人員已經使用地面上的射電望遠鏡，利用自然的資源設計了天基引力波探測器：大量分佈在太空中的脈衝星，這些脈衝星每隔幾毫秒旋轉一次，發出燈塔般的光束，以有規律的節拍到達我們這裡。 透過跨越幾十年對所有不同脈衝的到達時間進行納秒級精度的互相關，天文學家希望探測到波長以光月和光年為單位的引力波，因為它們的透過週期性漣漪會扭曲地球周圍的時空。 合併的星系應該會產生如此超大的波，因為它們星系核心的超大質量黑洞會鎖定在軌道對中並最終碰撞。 儘管這項技術引人注目，但它尚未交付任何探測結果，儘管隨著天文學家將更多脈衝星納入他們的觀測，成功的可能性會隨著時間的推移而增加。
除了使用脈衝星計時外，許多研究人員還希望透過天基雷射干涉儀研究引力波。 這種設施自由漂浮在遠離地球噪聲和引力的深空中，理論上可以擁有幾乎任何長度的臂。 然而，在實踐中，未來可能任務的設計者們一直在努力解決設計如此雄心勃勃的航天器的巨大複雜性以及太空新領域的汙染噪聲問題。 這些限制將其設計限制為“僅”數百萬公里的臂長。
在2000年代，美國國家航空航天局和歐洲航天局共同致力於開發雷射干涉空間天線（LISA），這是一個由三顆衛星組成的星座，將形成一個三角形干涉儀，具有三個五百萬公里長的臂。 這將足夠大，可以看到大約在宇宙中第一批恆星開始發光時可能存在的任何合併的超大質量黑洞發出的引力波，大約在大爆炸後一億年。
然而，在2011年，由於其估計成本過高以及該機構科學資金的短缺，美國國家航空航天局放棄了這項努力。 歐洲航天局重新集結並將該專案縮小為“eLISA”，這是一種“進化”的設計，要求三顆衛星形成一百萬公里長的臂，可能會在2030年代中期發射升空。 去年12月，歐洲航天局發射了eLISA的前身，一項名為LISA Pathfinder的技術開發任務。 與此同時，其他研究人員正在嘗試開發一種替代的天基幹涉測量技術，該技術使用微觀原子雲而不是笨重的航天器，以進一步縮小對長而昂貴的基線的需求。
無論使用何種干涉測量技術，“天基幹涉儀的科學案例都從未受到質疑，”歐洲航天局LISA Pathfinder專案科學家保羅·麥克納馬拉說。“它將使我們能夠觀察宇宙中最大、最劇烈的事件，並繪製整個宇宙時間切片中合併的完整歷史……一直以來都存在疑問的是，是否有可能製造出一種儀器，能夠在火箭發射的劇烈震動之後，以皮米精度測量數百萬公里的距離。”
LISA Pathfinder目前正在地球背日方向150萬公里的軌道上進行除錯，計劃於3月開始科學執行，儘管它不具備尋找引力波的能力。 相反，它將證明其有效載荷中的兩個金鉑立方體可以儘可能接近無重力、完全靜止的狀態。 這些立方體被儲存在航天器內的遮蔽真空外殼中，應該基本上感覺不到除重力之外的任何外力。 如果相隔數百萬公里並透過雷射連線，這樣的系統就可以探測到經過的引力波引起的極其微小的距離變化。 然而，在一個陽光照射的、佈滿加熱器、天線和推進器的航天器內達到完全靜止狀態遠非易事。
“想象一下細菌坐在你手上的重量——這大致相當於立方體[允許]偏離航天器上的自由落體的殘餘加速度、力，”麥克納馬拉說。 LISA Pathfinder上的雷射測量立方體與外殼壁的距離，引導微型推進器使航天器保持在立方體的中心。 微型推進器非常微小，以至於一千個全速發射的微型推進器幾乎無法在地球引力中抬起一張筆記本紙——然而，450公斤的LISA Pathfinder僅攜帶六個。
繪製新生宇宙
2005年，在放棄LISA之前，美國國家航空航天局進行了一項小型研究，調查了一種可能的超大型後繼者，該後繼者包括四個類似LISA的星座的複雜排列，具有更強大的雷射器和望遠鏡。 按照設想，被稱為“大爆炸觀測站”的任務可能會非常昂貴，以至於幾乎沒有研究人員敢於實際估算其價格標籤。 它將對LIGO和LISA探測到100億光年或更遠距離的幾乎所有相同目標敏感，但其真正的目標是組裝一張來自原始宇宙最早時代的引力波的詳細地圖。
這種“隨機引力波背景”將包含有關宇宙最初時刻及其神秘的暴脹時代的關鍵資訊，在暴脹時代，宇宙似乎幾乎瞬間從質子大小膨脹到柚子大小，同時放大了量子尺度的密度波動，從而塑造了最初的大尺度宇宙結構。 就其對我們理解——好吧，一切——的重要性而言，測量這樣的訊號甚至比繪製宇宙微波背景（CMB）更具革命性，宇宙微波背景是早期宇宙在大爆炸後約38萬年首次冷卻到透明狀態時遺留下來的遺蹟光。
CMB是使用光進一步窺探時間的字面意義上的防火牆——幾乎所有關於早期事件的資訊都由光子攜帶，因為它們在充滿嬰兒宇宙的熱稠密等離子體中漫無目的地反彈而被擦除。 然而，對於原始引力波來說，CMB不是防火牆——它是一扇窗戶。 那些波長很長的引力波可能會在CMB中留下微弱的印記，以標記它們的經過。 然而，大多數原始波會悄無聲息地穿過，幾乎不會與宇宙中其他任何東西相互作用，直到它們在正確的時間漣漪透過正確的探測器。
“在某種程度上，隨機背景是最難探測到的東西，但也是最能為您提供洞察力的東西，因為黑洞和中子星有點過時了，”LIGO團隊成員兼馬克斯·普朗克引力物理研究所所長布魯斯·艾倫說。“假設我們向前跳躍一千年，到我們高度發達的文明已經建造了覆蓋整個引力光譜的天文臺的時候。” 這樣的工具可以繪製原始引力波的光譜，並可能區分其中的“扭結和隆起”，從而揭示宇宙演化中最早和最劃時代的里程碑。
“也許不是一千年以後，”艾倫繼續說道。“也許只需一個世紀就能建成類似大爆炸觀測站的東西，再過一個世紀，我們將建造一些寬頻的東西。 重要的是，獲得隨機背景光譜是人類最終能夠透過引力波研究完成的最後一件事之一。 在宇宙的某個地方，可能有一個文明已經做到了這一點。 我們只是還沒有——做到。”