請您回想四年前，引力波是當時的熱門話題。2015年9月14日，LIGO-Virgo 合作組織首次探測到時空中的這些漣漪，並在數月後公佈，在全球範圍內引起了應有的轟動。現在，隨著該發現四週年臨近，該領域已經顯著成熟，已經進行了數十次後續探測——並且有望在未來取得更激動人心的發現。
麻省理工學院的內爾吉斯·馬瓦爾瓦拉說，這個領域“已經爆發了”。“我對我們能夠取得的成就感到非常驚訝。無論是在天體物理學方面，還是在儀器裝置的巨大改進方面，都令人震驚。”
包括首次發現，在三次觀測執行中，迄今為止已總共進行了 23 次已確認的引力波探測。其中，20 次是黑洞合併，2 次是中子星合併，1 次是疑似首次已知的黑洞和中子星合併事件。每一次探測本身都令人興奮，但探測的數量之多——從每月一次增加到幾乎每週一次，這要歸功於 2018 年和 2019 年 LIGO 的升級，提高了其靈敏度——令人印象深刻。據一些估計，引力波天文臺到 2023 年可能會每小時捕捉到一次合併。“引力波天文學的爆炸性增長怎麼強調都不過分，”俄勒岡大學的本·法爾說。
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由於這種爆炸性的增長，天體物理學的多個子學科都取得了顯著進展。芝加哥大學的丹尼爾·霍爾茨說，對黑洞合併的研究現在看起來幾乎“令人厭煩”，因為觀測到的事件數量很多，但儘管如此，它正在被改變。“我們正非常迅速地進入種群和統計學領域，”他說。“我們不再分析一個，而是分析一大堆。現在我們可以看到分佈方法是什麼，有多少是大的，有多少是小的。即使它們繼續‘令人厭煩’，這些令人厭煩的事件的分佈也令人著迷。”
與此同時，LIGO 和 Virgo 觀測到的首次中子星合併幫助研究人員探測了宇宙本身的一些基本方面。西北大學的克里斯托弗·貝里指出，來自該事件的伽馬射線在引力波之後 1.6 秒被其他望遠鏡探測到，這使得對引力速度與光速進行了前所未有的測試。“我們預計它們的到達時間會略有差異，因為它們不一定同時產生，”他說。“但 1.6 秒的事實使我們能夠驗證光速和引力速度確實是相同的，正如廣義相對論所預測的那樣。”
科學家們希望探測相對論的另一種方法是觀察被大質量物體“引力透鏡”放大的引力波。正如光線在穿過星系和其他大質量物體的引力場時會被彎曲和放大一樣，引力波也應該以同樣的方式被扭曲。上個月，當兩個看起來相似的引力波訊號在地球上以 21 分鐘的間隔相繼出現時，天文學家們一度對可能探測到此類事件感到興奮——這暗示這些波可能來自同一來源並且已被透鏡放大。不幸的是，進一步的檢查表明，背靠背的訊號來自天空中的兩個不同方向，但天文學家們仍然希望在未來發現此類事件，儘管這可能不容易。“偶然對準的機率非常小，”加州大學歐文分校的研究員阿桑塔·庫雷說，他與 LIGO/Virgo 合作組織無關。“你必須[進行數百次觀測]才能看到其中一個。”
透鏡事件並不是天文學家們預期的唯一未來發現。最誘人的發現之一是可能探測到由超新星爆發引起的引力波。然而，這樣的事件可能需要在我們星系中發生，LIGO 和 Virgo 才能探測到它。“這種情況大約每世紀發生一次，”霍爾茨說。“據我們所知，過去四年裡沒有發生過。所以這是我們仍然需要等待的事情。總有一天會發生的。”
更雄心勃勃的是，科學家們還認為，有一天可能會看到原始引力波，這是大爆炸後最初幾分之一秒遺留下來的。這樣的波將使研究人員能夠比以往任何時候都更深入地回顧宇宙的誕生。“最早到達我們觀測者的光是宇宙在 40 萬歲時[發射]的，”馬瓦爾瓦拉說。“然而，引力波從大爆炸後的最初時刻就一直在向我們傳播。”不幸的是，這種波的訊號應該非常微弱，以至於只有所謂的第三代引力波探測器，例如美國計劃中的宇宙探測器或歐洲的愛因斯坦望遠鏡，才有可能探測到它們。
當然，引力波的湧現也揭示了意想不到的新謎團。一個例子是參與這些合併的黑洞的未知起源，這些黑洞被稱為恆星質量黑洞，因為它們的質量是太陽質量的數倍。“天真地，你可能會認為，好吧，這類黑洞是普通恆星爆發超新星的殘餘物，”馬瓦爾瓦拉說。“但我們知道普通恆星不可能長到太陽質量的數十倍。因此，這種形成情景不容易得到支援。”另一種可能性是它們是較小黑洞合併的結果，但這需要宇宙中存在難以想象的大量較小黑洞才能解釋所看到的合併數量。真正的答案目前仍然難以捉摸。
四年過去了，引力波天文學的增長沒有放緩的跡象。“我認為這是一場革命，”貝里說。“我們真的睜開了眼睛，看到了那裡有什麼，那是看不見的，我們只能透過引力波來揭示。”隨著探測到的訊號越來越堆積如山，未來還會有更多發現。