在关键升级停工三年后，世界各地的引力波天文台本应重新启动，比以往任何时候都更灵敏地探测时空中最微小的变形。
但技术问题破坏了这种乐观的设想，并注定了5月24日开始的观测运行将是温吞的。对为期20个月的观测活动，即所谓的“观测运行4”（O4），现在的期望有所降低。意大利的Virgo探测器不会立即重启；相反，它将进行维修，以修复断裂的光纤造成的损坏。此外，日本新的神冈引力波探测器（KAGRA）的灵敏度远未达到预期水平，并且仅将观测一个月，然后关闭进行故障排除，目标是在2024年末重启。这使得只有美国的两个由国家科学基金会资助的激光干涉引力波天文台（LIGO）探测器——分别位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿——能够从停工状态中完全恢复运行。
然而，尽管有这些挫折，O4的科学潜力仍然巨大。观测引力天文学领域是如此之新，以至于在已探测到的不到100个黑洞和中子星合并事件的基础上，增加任何新发现都是真正的进步。“我们真的很期待重新开始观测，”威斯康星大学密尔沃基分校的天体物理学家和LIGO的发言人帕特里克·布雷迪说。即使没有Virgo和KAGRA的额外帮助，仅LIGO的升级就应确保该项目在O4中发现近300个新事件——大约每隔一天一个。
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这些新探测事件中的绝大多数将是由双黑洞合并发出的引力波，这些引力波对于传统望远镜是不可见的。至少有一些将来自两个中子星（或中子星和黑洞之间）的地震式碰撞，这些碰撞不仅释放出大量的引力波，还会释放出显著的光——千新星。2017年8月，Virgo在一次非凡的引力波系列（指定为GW170817）传播到地球的几周前刚刚启动。在几个小时内，研究人员就能够结合Virgo和LIGO的数据，找出信号的起源天空区域。
他们向其他天文学家发出警报，后者将光学望远镜指向该位置，并首次看到了千新星的光芒。探测到更多的千新星可以帮助研究人员回答关于元素起源、中子星质量极限甚至宇宙膨胀速度等有趣的根本问题。
来自千新星的答案可能不得不等到Virgo完成维修。仅靠LIGO的两个探测器运行，对大多数合并事件进行高置信度探测变得更具挑战性，并且在许多情况下，将引力波信号定位到可搜索区域可能是不可能的。（就在本文付印之际，LIGO 宣布，它在其预运行模式中探测到一个新的中子星-黑洞合并事件。然而，它无法精确定位源头。）
LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）的研究人员并不是唯一对O4结果感兴趣的人。其他科学家也在热切等待新的数据。“我仍然很兴奋……如果我们能有更多的探测，我们可以澄清很多事情，”哈佛-史密森天体物理中心的天体物理学家列克·范·索恩说。她正热切等待更多关于合并黑洞统计特征的见解——特别是关于它们显示的质量范围。以图表形式可视化，黑洞质量的间隙和峰值可以揭示关于巨星死亡方式的新细节。
LVK合作组织以外的科学家可能不得不等待。除了相对罕见的需要立即进行光学后续观测的事件（例如产生千新星的事件）之外，LVK合作组织计划在前半段运行结束后大约18个月——从现在起总共28个月——才会更新其引力波目录并公开全部O4数据。
另一方面，通过智能手机应用程序，任何人都可以获得带有有限数据的实时通知——现在还带有自定义的警报声音。
如何训练你的引力波探测器
没有流体形成引力波。波本身是时空的扭曲，是由黑洞或中子星等大质量物体的运动引起的尾迹。当引力波扫过地球时，它们几乎无法察觉——但并非完全如此。
探测引力波需要一个经过微调的仪器，原则上与经过微调的小提琴没有太大区别。在实践中，研究人员将激光束射入两个垂直的管道，每个管道长达数公里。每束光束在镜子之间反射300次，直到两束光束在其共同光源附近重新组合，在那里可以分析它们是否存在引力波的痕迹。
波扫过时，会反复改变激光束路径的长度，幅度极小——大约是质子直径的万分之一。这种微小的膨胀和收缩以大约10到100赫兹的频率发生，并在一个光束与其垂直的孪生光束之间产生可测量的偏移。
这是如何发生的？想象一下小提琴家使用颤音演奏一根弦。通过快速来回摇动手指，小提琴家扩展和收缩琴弦，以产生音高的周期性变化。敏锐的听众可以很容易地听到颤音的速率。类似地，引力波扩展和收缩空间，给激光束带来颤音。由于激光的颤音比小提琴的颤音微妙得多，为了“听到”它，研究人员必须将变化的光束与其稳定的孪生光束进行对比。这使他们能够记录通过的引力波的频率，将激光颤音转换为可听见的、标志性的“啁啾”声。
准确探测到激光亚质子长度的变化需要仪器与噪声隔离——各种随机环境波动，无论是地震隆隆声还是乌鸦的啄食。
事实上，LIGO和Virgo非常敏感，以至于它们必须考虑激光光子撞击产生的噪声。“当光子反射时，它们会向镜子传递动量，”加州理工学院物理学家和LIGO副主任阿尔伯特·拉扎里尼解释说。为了限制噪声，光子必须都具有相同的相位——基本上，它们需要几乎同时击中镜子。以前，LIGO和Virgo只能在高频（高于50赫兹）将光“挤压”到相同的相位。得益于升级，包括在LIGO站点安装了300米长的隧道，探测器现在可以将光挤压到低至30赫兹。
这听起来可能不多，但低频挤压已大大提高了LIGO的灵敏度，灵敏度以到最远可探测双中子星合并事件的距离来衡量。LIGO以前的灵敏度范围为3.3亿光年。现在，它已将其范围提高了约50%，达到约5亿光年的宇宙深度。（由于这个线性距离适用于三维空间体积，因此灵敏度的提高实际上应使探测率总体提高三倍。）
在Virgo，升级进展顺利，直到去年11月，研究人员在一个镜子上安装了一个噪声缓解系统。他们很快发现，悬挂镜子的纤细玻璃纤维之一断裂了。2017年也发生过类似的事件，当时一根玻璃纤维断裂，导致延误。对于这两起事故，Virgo的研究人员都确定了一个可能的共同原因：在升级过程中，灰尘颗粒落在纤维上并削弱了它们。
“我们改进了真空室，以保护纤维，但仍然存在发生这种情况的小概率，”意大利国家核物理研究所的物理学家吉安卢卡·杰梅说，他最近被任命为Virgo的发言人。在2022年11月的事件发生后，Virgo的研究人员更换了断裂的玻璃纤维。然而，仍然存在过多的噪声。在4月下旬，受噪声困扰的探测器只能探测到约8800万光年——即其先前观测运行灵敏度的一半。杰梅说，问题可能源于一块“未牢固连接”的磁铁，这至少部分是由去年11月发生故障的玻璃纤维引起的。5月11日，杰梅和Virgo合作组织宣布，他们将继续维修，而不是试图以次优的灵敏度重新启动。
“这对我们来说是一个艰难的决定，因为我们自2019年以来一直在为这次升级工作，”杰梅说。“我们真的想提高探测器的灵敏度，了解噪声并解决问题。”他说，维修工作可能会在6月底完成——并补充说，更悲观的时间表是Virgo在秋季重新加入LIGO。
Virgo并不是唯一遇到困难的探测器。三年前，专家们乐观地预测，KAGRA的灵敏度将达到约4.24亿光年。其首创的低温设计和地下位置本应提供额外的保护，以抵御环境噪声。但各种挫折使KAGRA的灵敏度不到预期目标的1%。该设施目前的灵敏度仅延伸到约300万光年，这意味着它只能探测到来自我们银河系内部或附近的引力波源。东京大学物理学家和KAGRA发言人横山顺一表示，对于O4，该探测器将首先观测一个月，然后关闭进行额外的调试，旨在将其灵敏度再提高10倍——这个值仍将远低于其最初的目标。
“他们正在建造一些前所未有的东西，所以他们正在发现新的问题，”拉扎里尼说。“这非常困难。”KAGRA在解决一些问题方面取得了进展。探测器的低温冷却镜子受到薄霜层的困扰，这使得它们基本上无法使用。在停工期间，KAGRA的研究人员开发了一种五步冷却策略，该策略使他们能够在不结霜的情况下将镜子冷却到零下20开尔文。其他问题仍然没有解决。例如，镜子的角度传感机制不稳定，并且仍然存在来自尚未知来源的“神秘噪声”。
“那是这项业务中最困难的部分，”横山说，“识别噪声的来源，并制定逐个消除它们的策略。”他拒绝分享该团队对KAGRA神秘噪声的分析——以及正在考虑哪些可能的修复措施，以使探测器恢复到其预计的灵敏度。
我们能听到的所有引力
到2021年，引力波已如此扩展了已知黑洞的目录，以至于LIGO团队在Twitter上发起了一项挑战：提出一个集体名词来描述大量的黑洞。围观者提出了数百个候选名词（“挤压”、“空虚”、“尖叫”、“灾难”、“质量”等等），尽管没有官方获胜者。
请将此视为迟来的提交：“黑洞的负担”——既是对其物理质量的隐喻，也是对其庄严存在的隐喻——对物理学家来说意义重大。无论你怎么称呼它们，“黑洞的负担”给LVK合作组织和O4带来的任务与之前的所有运行几乎没有变化：一点点地剥开未知，一次添加一个新的合并事件，以逐步瞥见可能出现的任何更大的趋势。
已经很明显的是，通过引力波看到（或者更确切地说是听到）的大多数黑洞都是由大质量恒星的超新星死亡阵痛形成的。这些恒星燃烧明亮而短暂，通过恒星风并在其末期将较轻的原子核聚变成较重的元素（如氧和铝），共同塑造了整个星系，这些元素可以作为未来几代恒星和行星的原料。然而，这些非常重要的大质量恒星也相对稀有，在我们银河系邻域中足够稀疏，以至于难以对其恒星演化进行详细研究。LVK合作组织不断增加的黑洞负担为研究提供了一条新的途径。“所有这些大质量恒星的[黑洞]化石都为我们提供了一种方法，可以考古研究大质量恒星如何生存，并了解它们的生活方式，这是我们以前从未做到的，”范·索恩说。
黑洞的质量分布开始形成模式。一个质量约为10个太阳质量的低质量峰值，低于该峰值的黑洞非常少，这表明，例如，大多数黑洞来自中等质量的恒星。
理论家预测，由于“对不稳定性”超新星，应该会在45到65个太阳质量附近出现另一个峰值。这些超新星比普通的超新星更强大，普通的超新星发生在恒星燃料耗尽并内爆时，辐射压力突然丧失，类似于拆除支撑屋顶的支柱。“对不稳定性”超新星来自质量非常大的恒星，质量是太阳的130到250倍，并且基本上没有重元素——这种情况可能会在它们耗尽燃料之前加速它们的死亡。内部的热核聚变会变得如此剧烈，以至于核心中产生的光子不是支撑外层，而是花费能量来产生物质-反物质对，这会加速其内爆。
理论家们现在正在关注黑洞分布中35个太阳质量的峰值，将其视为可能的、比预期更轻的对不稳定性峰值——或者相反，是完全不同的迹象。“我认为我们正在观察一个完全未探索、无法解释的特征，”范·索恩说。
黑洞质量分布中还预测了其他特征，但尚未被观测到。理论家预计，O4可能会揭示60或70个太阳质量左右的悬崖，因为如此重量级的黑洞将需要质量巨大的恒星，而这些恒星将不稳定到无法发光。如果没有出现这样的悬崖，则可能表明存在另一条尚未发现的通往庞大黑洞的途径。
宇宙中也应该潜伏着更微妙的引力波源。并且有可能——部分原因是探测器灵敏度欠佳——LVK合作组织可以在O4中找出它们。
虽然黑洞之间的合并是短暂的事件，但一些源应该会产生连续的引力波。随着探测器变得越来越灵敏，它们可能会捕捉到引力波背景——一种由数亿万年的波浪来回冲刷形成的白噪声。或者他们可能会听到中子星上的“山脉”。当几个太阳的质量被压缩成直径为10公里的球体时，极端引力会将超稠密物质的山脉压成毫米高的土堆。这些山脉包含大量的质量——一茶匙中子星物质重达1000万公吨。快速旋转的中子星可能会将这些山脉快速甩动，以至于它们会在时空中产生有规律的涟漪。正如引力波探测器所听到的那样，这些波浪不会渐强为啁啾声，而是保持连续的嗡嗡声。布雷迪说，这在O4期间是否可探测到“取决于中子星表面的山脉有多大”。
运气在发现中起着重要作用。壮观的双中子星产生的GW170817来自2017年8月，天文学家之所以能看到它，是因为一股高能光束恰好指向地球。但基本的几何推理表明，在90%到95%的情况下，这种光束的指向应该过于偏离我们的星球而无法探测到。其他估计表明，在O4中应该只发生大约6到10个中子星事件。这是一个不错的机会，但不能保证其中一个事件会排列成行，从而提供其光束的另一次直接观测——尤其是在技术问题使三个引力波项目中的两个停摆的情况下，这使得每个事件在天空中的定位都成为一个更高的障碍。
LVK合作组织在O4中对中子星合并事件的目标是尽可能早、尽可能频繁地捕捉到它们，从而为其他天文台提供更多机会来快速进行后续调查。当O4探测到有希望的信号（可以定位的信号，与刚刚宣布的预运行探测不同）时，LVK合作组织将在30秒内向一个光学望远镜联盟发出警报。“我们希望能够尽快发出这些警报，以便天文学家可以真正开始指向他们的望远镜并做好准备，”佐治亚理工学院的物理学家和LIGO成员苏拉比·萨奇德夫说。
尽管LVK合作组织无法告诉其他望远镜该怎么做，但其成员希望，如果出现足够诱人的事件，天文学家会选择尝试发现引力波探测器听到的任何来源。
为未来倾听
即使Virgo和KAGRA完全正常运行，真正新颖的科学也必须等待。下一代地面探测器，例如计划中的爱因斯坦望远镜和宇宙探测器，旨在非常灵敏，以至于它们将听到可观测宇宙中每一次双黑洞碰撞。大约每秒钟，它们将探测到一个新的合并事件。
这样的数字将完全使专有数据政策失效，例如LVK合作组织目前将其大部分发现保密约一年半的做法。“他们现在的设置是不可持续的，”范·索恩说。因此，计划是下一代探测器将立即发布数据，供任何人分析。
“它们将真正实现巨大的飞跃，”杰梅说。“但是，我们目前在探测器中学到的所有东西都将使这一飞跃成为可能。”例如，KAGRA的困境可能会转化为诀窍，这将有助于研究人员驾驭计划用于爱因斯坦望远镜的更雄心勃勃的低温系统。
如果它们按计划工作，宇宙探测器和爱因斯坦望远镜将迎来天文学的新时代：在这个时代，引力波不再像无线电波那样稀有，来自早期宇宙碰撞到附近中子星上土堆大小山脉的微弱信号将在世界各地回荡，清晰响亮，供所有人聆听。
编者注（5月23日）：本文在发布后经过编辑，以更正可能导致黑洞的恒星类型以及对不稳定性超新星中发生的热核聚变的描述。文本先前已于5月23日进行了修订，以更正对千新星的描述。