5月24日，国家科学基金会资助的激光干涉引力波天文台（LIGO）将恢复其对引力波的探测——引力波是时空曲率的微小周期性变化，由遥远而剧烈的宇宙事件（如两个碰撞的黑洞）产生。
有些人会说引力波科学家是幸运的，因为他们的领域在一系列变革性发现中取得了显著成就，而这些发现都发生在不到十年的时间里。在最初的三个观测期中，引力波探测器发现或证实了一种新的天体物理现象。首先，在2015年，发现了黑洞的碰撞；两年后，又发现了被称为中子星的超致密、死亡恒星的碰撞；然后在2019年，发现了质量出乎意料地不存在于宇宙中的天体。
过去的表现并不能保证未来的成功。然而，随着LIGO在本月启动（随后是另外两个探测器：意大利的Virgo和日本的KAGRA），我们有充分理由对继续这种宇宙发现的趋势保持乐观。
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考虑到这些探测器如此高效，为什么天文学家首先要打开和关闭它们呢？简单的答案是，引力波观测建立在尖端技术之上，而这项技术正在迅速发展。这使得科学家能够探测到引力波的宇宙范围比首次直接探测发生时大一个数量级。然而，引力波探测器的升级是一项复杂且耗时的任务。它无法与观测并行进行。因此有了观测期：科学家们在改进探测器和监听天空之间交替进行。
探测这大大扩展的宇宙空间几乎可以保证观测者将会在宇宙的壁橱里找到新的秘密——这些发现可能改变天体物理学和整个科学领域。在这里，我们列出了我们最期待的六项潜在突破
1. 最重的黑洞。我们迄今为止用引力波探测到的最重黑洞的质量约为太阳的100倍。然而，得益于升级，我们的探测器现在对来自碰撞黑洞的引力波敏感，这些黑洞比太阳重1000倍。发现这些更重的黑洞将是一个改变游戏规则的发现；它将告诉我们黑洞是如何增长的，以及其中一些黑洞是如何达到超大质量的，质量是我们的恒星的数百万甚至数十亿倍。我们知道大型星系中心的超大质量黑洞，但它们的起源目前仍然是一个谜。
2. 辐射黑洞碰撞。黑洞很特殊，因为没有任何东西，甚至光都无法逃脱它们。然而，假设两个黑洞在星际气体云中碰撞。这样的碰撞可能会在这个周围的物质中引发宇宙烟花。探测到这种碰撞的电磁或甚至中微子信号，以及引力波，将是一项重大发现。有了这些数据，我们可以高精度地确定碰撞发生的位置和方式，获得关于以前无法接近的极端宇宙环境的生动新细节。这种引力波信号的精确定位还可以为天文学家提供一种新的、独立的方法来测量宇宙膨胀的速度。
3. 宇宙中金和铂的起源。虽然宇宙中大多数元素是在恒星内部通过热核聚变形成的，但最重的元素，如金、铂或铀，需要一个特殊的创造过程。2017年，科学家们设法同时瞥见了引力波和一对碰撞中子星发出的光，揭示了这些事件如何以及产生多少这种较重的元素。中子星碰撞是否真的是宇宙黄金的主要来源仍不清楚，但可以肯定的是，发现和研究更多这类碰撞将解决目前激烈的争论，并让我们更好地理解生命存在的元素限制条件在宇宙中何时何地产生。
4. 附近的超新星爆发。在生命的尽头，最重的恒星会以超新星的形式爆发，创造宇宙中最壮观的事件之一。这些爆炸实际上始于内爆：恒星核在自身引力作用下坍缩，一旦达到临界质量，就会导致巨大的能量突然释放，将整颗恒星炸裂。发现来自这种“核坍缩”的引力波将使我们窥视爆炸的核心，揭示其早期阶段，这些阶段通常隐藏在垂死恒星表面的深处，不为我们所知。这可以告诉我们物质在密度超过原子核密度时的行为方式——即密度超过每汤匙材料1亿公吨。
5. 爱因斯坦广义相对论的失效。科学家怀疑我们目前的引力和时空理论是不完整的，因为我们无法将其与现实的量子力学描述相协调。部分问题是缺乏可能的实验来同时测试强引力和大多数量子力学效应显现的小空间尺度。黑洞可能是我们最接近这两个极端的方式。这意味着，在高保真引力波观测中寻找与广义相对论的偏差，可能会改写我们对空间和时间的一些基本理解。
6. “未知的”未知。历史告诉我们，每当我们拓展视野时，都应该期待意想不到的事情发生。对于引力波天体物理学来说，情况也应如此。最令人兴奋的变革将是我们发现一种新的天体类型或宇宙现象，以某种方式让我们感到惊讶。幸运的是，科学家们为这种可能性做好了充分准备。引力波数据的搜索不仅针对已知的、充分理解的信号类型，也针对真正未知的信号。
接下来是什么？虽然这六项潜在突破可能在LIGO、Virgo和KAGRA探测器即将到来的观测期内实现，但值得注意的是，未来更加光明。在未来几十年里，科学家和政策制定者将继续探索新一代雄心勃勃的引力天文台的可能性，其中一些是空间天文台。这样的天文台可以将我们的科学和宇宙视野扩展到目前可实现的范围之外。这些开创性项目不仅旨在探测更远的地方，而且渴望能够探测到来自几乎整个宇宙的黑洞碰撞。对于未来，最大的惊喜将是没有惊喜。
这是一篇观点和分析文章，作者或作者表达的观点不一定代表 《大众科学》的观点。