哈勃太空望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）等轨道天文台可以观测到宇宙的遥远过去——事实上，它们已经揭示了我们宇宙138亿年历史中最初5亿年形成的一些最早的星系。再往更早的时间追溯，我们可以看到大爆炸遗留下来的余热，即宇宙微波背景（CMB）辐射，它是在宇宙历史的约40万年时发出的。但是，在CMB出现之后，在第一批恒星和星系形成之前，即所谓的宇宙黑暗时代深处，又是什么时期呢？我们是否有可能目睹宇宙中最早的一些天体的诞生？对于哈勃和JWST来说，这项任务几乎是不可能完成的：这些天体实在太小太暗了。但是，借助新一代引力波天文台，探测到一些早期宇宙来客——特别是黑洞——的动静应该易如反掌。
最好的消息是：这些天文台已经在设计之中。“引力波时代已经到来，”耶鲁大学的引力波天文学家基娅拉·明加雷利说。
上个月，欧洲航天局（ESA）批准了这一时代的最新里程碑，这是一个耗资15亿欧元（16亿美元）的空间天文台，名为激光干涉空间天线（LISA）。LISA由三艘自由飞行的航天器组成，每艘航天器在绕太阳运行的轨道上相隔250万公里，它将搜索目前地面探测器未见过的特定频率的引力波。这些探测器包括美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）/Virgo合作组织和意大利的Virgo合作组织——以及日本的神冈引力波探测器（KAGRA），尽管该天文台的运行曾遭遇挫折——以及各种脉冲星计时阵列，如美国和加拿大的北美纳米赫兹引力波天文台（NANOGrav），该天文台去年做出了首次重大明确探测。LIGO及其同类探测器主要探测来自质量接近我们太阳质量的黑洞在合并时的引力波。脉冲星计时阵列观测到来自更大的超大质量黑洞缓慢而致命的旋入的引力波，这些黑洞潜伏在像我们银河系这样的星系中心。但是LISA的项目首席科学家、欧空局天体物理学家诺拉·吕茨根多夫说，“我们错过了中间的范围”。
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这就是LISA的用武之地。LISA计划最早于2035年发射，其三艘航天器每艘都将包含两个小的、棒球大小的漂浮立方体，由黄金和铂金制成。通过在这些立方体之间以及在其三艘航天器之间发射激光，LISA将测量由引力波拉伸和压缩空间时产生的立方体之间距离的微小变化，因为引力波会扫过我们的太阳系。然而，要进行如此精密的测量，需要的不仅仅是炫目的激光：每个立方体都必须在太空中自由漂浮，以在围绕太阳旋转时尽可能接近完美的静止状态，同时防止来自外部力量（如太阳风）的任何可想象的扰动。“航天器将屏蔽来自深空的有害影响，”欧空局的LISA项目科学家奥利弗·詹里奇说。这将使LISA能够探测到波长——传入波纹的峰峰值——为几秒到几小时的引力波，而LIGO/Virgo的波长为毫秒，脉冲星计时阵列的波长为年。“所有三个探测器都是互补的，”NANOGrav联盟的明加雷利说。
这样的波长是观测星系中心质量小于脉冲星计时阵列敏感度的超大质量黑洞合并的窗口；LISA应该探测到质量在10,000到1000万太阳质量之间的巨兽，而脉冲星计时阵列探测到的黑洞质量为“10亿到100亿太阳质量”，这些黑洞隐藏在比LISA将观测到的星系更大的星系内部，NANOGrav主席、范德比尔特大学的斯蒂芬·泰勒说。这些阵列不太可能看到这两个天体碰撞的实际时刻，因为旋入的超大质量黑洞可能需要数百万年的时间才能在它们巨大的轨道分离中走到一起。但LISA可以观测到其目标较小黑洞群的合并，并见证它们在合并发生前几周甚至几小时的最后时刻。吕茨根多夫说，利用LISA监测整个天空的星系，“我们预计每年会发生几次合并”。“这仍然不确定，因为我们不知道超大质量黑洞在我们的宇宙中合并的频率。我们从未探测过这一点。”
LISA及其同伴将使我们能够以前所未有的方式了解宇宙中黑洞的性质和数量。由于其测量尺度小于现有探测器的测量尺度，LISA将无法见证其恒星质量黑洞的最终合并，这些黑洞是由坍缩的恒星形成的，像恒星一样在星系内部轨道上运行，但它可以将观测接力棒传递给LIGO和Virgo。地面天文台应该有可能发现明显的“啁啾声”，因为LISA的目标黑洞螺旋式靠近，并将其发出的引力波转移到较短的波长，而LISA的视野会逐渐消失。“我们可以结合这两个测量结果，学到很多东西，”吕茨根多夫说——包括更好地估计合并黑洞的质量。
致谢：Moonrunner Design Ltd.（插图）；Jen Christiansen（激光干涉仪图）
LISA也可能见证中等质量黑洞的结合，这是一类神秘的引力怪物，它们比恒星质量黑洞更大，比超大质量黑洞更小。到目前为止，科学家们一直在努力探测和研究它们。这些中等大小黑洞的合并可能是早期宇宙中超大质量黑洞的种子，这可能有助于解释这些巨无霸是如何如此迅速地增长的。明加雷利说，如果中等质量黑洞存在于早期宇宙中，“它们将会相互合并，而LISA将会看到它们。”LISA也将对其他前所未有的事件敏感，例如较小的中子星或黑洞落入较大的超大质量黑洞的时刻，以及被称为白矮星的恒星尸体在相互共轨时微妙而致命的舞蹈。美国宇航局领导的美国LISA团队成员、西北大学的肖恩·拉尔森说，“银河系中应该有数千万个白矮星双星系统。”
无论是黑洞还是死亡恒星，一起跳舞的天体都会在时空结构中抛出引力波。正是这些涟漪被LISA和其他探测器观测到，天体的质量决定了产生的引力波的波长，从而决定了哪个天文台能够发现它们。我们现在知道，这样的双星系统在宇宙中很常见，谢天谢地。如果没有它们，引力波就不会推动一场正在进行的天文学革命；我们的探测器还远远不足以观测到单个黑洞或其他巨大宇宙天体微弱的引力鼓声。
LISA的工作原理意味着它将同时看到所有这些事件的所有信号。“我们预计会有来自数千个来源的持续波，”吕茨根多夫说。除了工程上的障碍外，天文台的真正挑战——科学家们已经知道他们可以克服，这要归功于2015年的先导任务LISA探路者，该任务在太空测试了自由漂浮立方体技术——是从宇宙噪声海洋中梳理出携带大量信号的波。对于依赖反射镜将入射光反射到相机的传统望远镜，您“知道望远镜指向哪个方向，”詹里奇说。然而，引力波是无所不包的——从多个来源向所有方向辐射出的稳定涟漪流。“所以你不知道事物来自哪里，”詹里奇说。通过LISA在太空中的三角形形状及其绕太阳运行的轨道进行仔细的三角测量，将尝试识别和定位来源。
LISA将瞥见宇宙历史最初2亿年的事件。这可能不仅包括合并，还可能包括长期以来理论化的原始引力波的证据，这些引力波是在大爆炸之后宇宙中的相变之后遗留下来的，本质上是宇宙膨胀本身产生的时空涟漪。“如果真的存在原始引力波的背景，那么这些信号可能存在于脉冲星计时阵列和LISA中，”泰勒说。“我们应该能够进行多波段搜索。我对此感到非常兴奋。”LISA也可以深入研究新的物理学，并为阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论提供新的测试。这包括测试“无毛”定理，即黑洞只能由其质量、自旋和电荷来定义，否则无法彼此区分。“我们可以探测这是否真的成立，或者它们是否具有违反该定理的属性，”吕茨根多夫说。
科学家们对LISA感到非常兴奋，但已经开始计划建造更多的引力波天文台。在欧洲，正在讨论开始建造地面爱因斯坦望远镜，这是一种所谓的第三代引力波探测器，其规模和能力将超过LIGO和Virgo。在项目获得批准后，预计将在2025年或2026年选定望远镜的选址，目标是在2036年左右完成建设，意大利国家核物理研究所（INFN）的米歇尔·蓬图罗说，他是爱因斯坦望远镜的协调员。除了探测更多的合并和双星系统外，爱因斯坦望远镜还将比以往任何引力波天文台探测到更远的宇宙——可能进入宇宙存在的前2000万年。“我们可以探测到来自第一个恒星形成之前发生的事件的引力波，”蓬图罗说。该项目的目标将包括原始黑洞——据信是在大爆炸后几秒钟内由热物质口袋形成的——以及类似于LISA所寻找的中等质量黑洞。
LISA可能不会孤单地漂浮在太空中寻找引力波。中国有自己的类似LISA的任务计划，名为太极，计划在2030年代发射。拉尔森说，“我们很多人已经开始思考”这些任务如何相互补充。拥有两个空间干涉仪可以提高每个设施的灵敏度，特别是在探测原始引力波方面，并且还将减轻三角测量和定位其他传入引力波源所需的大量工作。正在考虑的另一个想法是利用月球作为引力波探测器。通过在月球表面放置一个灵敏的地震仪——可能通过美国宇航局即将进行的阿耳忒弥斯登月任务之一——科学家们可以监测月球因引力波不断冲刷而产生的回响。“波浪像铃铛一样敲响月球，”INFN的扬·哈姆斯说，他是这个想法的倡导者。该探测器将对LIGO/Virgo和LISA之间的波长敏感，有可能揭示其他未见的事件，例如“合并的白矮星双星系统”，哈姆斯说。
最终，LISA和其他类似的任务可能为更雄心勃勃的太空探测器铺平道路——例如一个名为大爆炸观测器（BBO）的提案，这是一种“超级LISA”。这将涉及不是一个由三艘航天器组成的三角形，而是三个或更多个三角形以编队形式绕太阳飞行。蒙大拿州立大学的天体物理学家尼尔·康尼什说，重叠系统将使科学家能够“找到宇宙中的每一颗中子星和每一个发射BBO将敏感的引力波的双黑洞系统”。但是，绘制该地图的目的是有效地将其从天空中抹去，以揭示仅来自一个剩余引力波源的未知领域：大爆炸本身产生的信号。“有了LISA，我们无法很好地消除所有信号，”康尼什说。有了BBO，原始引力波将涌现。LIGO/Virgo、脉冲星计时阵列以及现在LISA的批准的成功可能会将对如此诱人任务的讨论摆上桌面。“LISA提供了一个良好的起点，”康尼什说。“我希望这将开始发生。”