编者注（2017年10月3日）：今年的诺贝尔物理学奖授予了莱纳·魏斯、巴里·C·巴里什和基普·S·索恩，“因为他们对LIGO探测器和引力波观测做出了决定性的贡献。”这篇文章重新浮出水面，旨在强调科学家们在不久的将来和遥远的未来搜寻难以捉摸的时空涟漪的计划。
一个世纪前，当阿尔伯特·爱因斯坦首次预测了引力波的存在时——引力波是由宇宙中高速运动的巨大物体产生的时空中微妙的涟漪——他也猜测它们永远无法被看到。尽管遥远天体交响曲的回声必然会 Ripple 在现实的结构中，爱因斯坦认为他们空灵的和声注定永远无人听到。
周四，使用激光干涉引力波天文台（LIGO）的科学家证明了爱因斯坦既对又错，宣布探测到他预测没有人会听到的宇宙交响曲中的第一个音符。 这是一个由两个较小的黑洞合并而成的黑洞灾难性诞生产生的引力波的咕噜声。 这些波在遥远的星系中发射出来时，多细胞生物才刚刚开始在地球上繁衍生息，它们以光速传播了十多亿年，最终于去年九月冲刷过我们的星球，仅用了七毫秒就穿越了LIGO在路易斯安那州和华盛顿州的孪生监听站之间的距离。
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现在，与一个世纪前几乎无法想象引力波会被看到的爱因斯坦不同，搜寻难以捉摸的时空涟漪的科学家们已经为不久的将来和遥远的未来的更多探测器和天文台制定了宏伟的计划。
“想象一下，光从未被收集到照片中，”巴纳德学院哥伦比亚大学的天体物理学家、即将出版的关于LIGO的书的作者詹娜·莱文说。“人们首先想做的就是捕捉记录，这就是LIGO所做的。”
不久之后，天文学家说，LIGO将记录和揭示的远不止新生黑洞的诞生之声。 它和其他正在运行的天文台已经在寻找来自大质量恒星剧烈死亡挣扎和城市大小的简并物质球体（称为中子星）碰撞的涟漪。 目前的天文台还可以帮助揭示是什么让称为脉冲星的自旋中子星滴答作响，绘制它们被星震震动的内部结构以及可能在其表面弹出的任何厘米高的“山脉”（由于中子星的极端密度，其重量大约相当于一颗行星的质量）。
几十年后，新一代空间望远镜可能会捕捉到超大质量黑洞的合并，并瞥见脉冲星螺旋式坠入它们的巨口，或者看到“宇宙弦”的断裂，“宇宙弦”是质子薄的星系际时空缺陷，可能在宇宙膨胀的早期阶段被拉伸到整个婴儿宇宙。 通过射电望远镜跟踪和计时，快速旋转的脉冲星本身可以转化为星系范围的探测器，对波长以光年为单位的时空涟漪敏感。 最终，天文学家目前能够构想的最雄心勃勃的引力波天文台可能有一天能够记录下大爆炸后万亿分之一秒内的最初瞬间发出的波的嘶嘶声。 届时，宇宙学家可以观看——可以倾听——宇宙结构的最初种子如何从沸腾的量子雾中结晶出来。
然而，最令科学家兴奋的是未知。“是否有我们从未用望远镜思考过的东西？” 莱文想知道。“看到黑洞碰撞是一个黄金般的发现，但我们预料到了这一点。 还有什么？ 我想看到一些黑暗的东西。”
“天空将永远不会一样，”哥伦比亚大学的物理学家和LIGO团队成员 Szabolcs Márka 说。“想象一下，你可以触摸、闻、尝和看——有一天你可以听。 那一天是光荣的一天。 这就是我们人类所发生的事情。 从今天开始，我们可以听到宇宙的声音。 我们可以看到看不见的东西。”
有史以来最昂贵的“虚无” 。
在找到第一个信号后，LIGO现在正准备将它们转变为天文学的常规工具。 双LIGO站都使激光在垂直的四公里长臂之间的镜子之间来回穿梭，这些臂呈L形排列。 入射波会稍微扭曲这些臂，使一个臂比另一个臂长或短仅千分之几质子半径，从而改变光的飞行时间并触发探测。 任何数量的背景噪声都可能破坏精细的测量——LIGO还可以听到海浪拍打遥远的海岸线、头顶飞过的飞机，甚至洗衣机发出的地震嗡嗡声。
“我们试图探测比构建我们探测器的原子更小的东西，”LIGO成员和哥伦比亚大学讲师 Imre Bartos 说。“老实说，这听起来令人难以置信。” LIGO之所以能够听到引力波，并在背景噪声的嘈杂声中听到，是因为两个站最近都进行了一系列降噪“高级LIGO”升级，这将使它们比2002年至2010年期间进行的徒劳的第一代搜索灵敏10倍。 总而言之，这些升级使实验的总成本超过10亿美元，其中大部分由国家科学基金会支付。 Márka 俏皮地说，LIGO的超高真空密封完美是“有史以来最昂贵的‘虚无’”。
随着高级LIGO达到其最大灵敏度并计划在印度建立第三个监听站，它将与欧洲其他激光干涉仪（如GEO600和高级VIRGO）协同工作，以迅速使引力波的探测成为例行公事。 “我们刚刚制造了一台机器，它给了人类一种新的感觉，超越了通常的五种感觉，”LIGO团队成员、帮助开发升级的加州理工学院物理学家拉纳·阿迪卡里说。“我们将不得不学习用这些全新的引力手指感受空间的咕噜声是什么感觉。”
随着引力波即将通过地球上几个高精度激光干涉仪传播，天文学家也将能够定位每组涟漪的确切来源。 相比之下，LIGO首次探测到的黑洞碰撞只能追溯到南半球天空中的一个巨大弧线。 精确定位引力波的来源将使天文学家能够将其他望远镜指向它们，从而提高通过X射线、伽马射线、无线电波、中微子等更多方式了解它们的可能性。
埋藏噪声
然而，当前一代地面激光干涉仪只能到此为止。 干涉仪的臂的长度、数量和位置密切影响其抵抗背景噪声的能力以及它可以探测的引力波的种类。 LIGO的四公里长的臂是世界上最大的，但在该项目的路易斯安那州站点，附近巴吞鲁日的不断蔓延和嘈杂已经离精密的探测器太近了，令人感到不安。
研究人员现在正在规划和建造下一代更大、更隔离的探测器，这些探测器深入地下，数百米厚的覆盖岩石可以屏蔽大多数人为噪声和地震应力。 在日本神冈矿山，神冈引力波探测器（KAGRA）已经初具规模，工人们正在新开凿的隧道中建造双套三公里长的臂。 KAGRA计划于2018年投入运行，将使用蓝宝石低温冷却镜提供类似LIGO的灵敏度。
继KAGRA之后，一个欧洲合作伙伴联盟正在制定一项初步计划，建立一个更具雄心的地下激光干涉仪，即爱因斯坦望远镜，该望远镜可能会在2020年代后期上线，耗资10亿或20亿美元。 虽然它目前缺乏资金和施工场地，但其概念设计要求双低温和室温光束线穿过三个10公里长的臂，这些臂呈等边三角形而不是L形排列。 这种配置将有助于它精确定位天空中引力波的来源，并使其能够看到来自更广泛来源的更长波长涟漪，包括双白矮星、自旋速度较慢的脉冲星以及重达数百或数千个太阳质量的中等质量黑洞。 它还将开始构建相当详细的“背景”引力波源地图——来自整个天空所有混乱、剧烈的合并和爆炸的累积涟漪。
“人们想知道为什么我们不满足于一个引力波探测器，为什么我们希望建造更大的探测器，”德国汉诺威马克斯·普朗克引力物理研究所的物理学家哈拉尔德·吕克说，他是GEO600和爱因斯坦望远镜团队的成员。 “与电磁辐射一样，引力波覆盖了令人难以置信的波长范围，你无法用任何单一设施捕获所有波长。” 吕克说，在地面上，激光干涉仪的臂不太可能超过50公里——超过50公里，地震噪声、地球曲率、不完美的光学器件以及挖掘深隧道的巨大成本将超过任何可以想象的科学收益。
迟早，放弃地球，在太空中建造和运行真正巨大的引力波天文台将更便宜。
太空是理想之地
每当第一个引力波任务发射到太空时，射电天文学家都会挖苦地说他们是第一个到达那里的。 研究人员已经使用地面上的射电望远镜，利用自然的资源设计了天基引力波探测器：大量分布在太空中的脉冲星，这些脉冲星每隔几毫秒旋转一次，发出灯塔般的光束，以有规律的节拍到达我们这里。 通过跨越几十年对所有不同脉冲的到达时间进行纳秒级精度的互相关，天文学家希望探测到波长以光月和光年为单位的引力波，因为它们的通过周期性涟漪会扭曲地球周围的时空。 合并的星系应该会产生如此超大的波，因为它们星系核心的超大质量黑洞会锁定在轨道对中并最终碰撞。 尽管这项技术引人注目，但它尚未交付任何探测结果，尽管随着天文学家将更多脉冲星纳入他们的观测，成功的可能性会随着时间的推移而增加。
除了使用脉冲星计时外，许多研究人员还希望通过天基激光干涉仪研究引力波。 这种设施自由漂浮在远离地球噪声和引力的深空中，理论上可以拥有几乎任何长度的臂。 然而，在实践中，未来可能任务的设计者们一直在努力解决设计如此雄心勃勃的航天器的巨大复杂性以及太空新领域的污染噪声问题。 这些限制将其设计限制为“仅”数百万公里的臂长。
在2000年代，美国国家航空航天局和欧洲航天局共同致力于开发激光干涉空间天线（LISA），这是一个由三颗卫星组成的星座，将形成一个三角形干涉仪，具有三个五百万公里长的臂。 这将足够大，可以看到大约在宇宙中第一批恒星开始发光时可能存在的任何合并的超大质量黑洞发出的引力波，大约在大爆炸后一亿年。
然而，在2011年，由于其估计成本过高以及该机构科学资金的短缺，美国国家航空航天局放弃了这项努力。 欧洲航天局重新集结并将该项目缩小为“eLISA”，这是一种“进化”的设计，要求三颗卫星形成一百万公里长的臂，可能会在2030年代中期发射升空。 去年12月，欧洲航天局发射了eLISA的前身，一项名为LISA Pathfinder的技术开发任务。 与此同时，其他研究人员正在尝试开发一种替代的天基干涉测量技术，该技术使用微观原子云而不是笨重的航天器，以进一步缩小对长而昂贵的基线的需求。
无论使用何种干涉测量技术，“天基干涉仪的科学案例都从未受到质疑，”欧洲航天局LISA Pathfinder项目科学家保罗·麦克纳马拉说。“它将使我们能够观察宇宙中最大、最剧烈的事件，并绘制整个宇宙时间切片中合并的完整历史……一直以来都存在疑问的是，是否有可能制造出一种仪器，能够在火箭发射的剧烈震动之后，以皮米精度测量数百万公里的距离。”
LISA Pathfinder目前正在地球背日方向150万公里的轨道上进行调试，计划于3月开始科学运行，尽管它不具备寻找引力波的能力。 相反，它将证明其有效载荷中的两个金铂立方体可以尽可能接近无重力、完全静止的状态。 这些立方体被保存在航天器内的屏蔽真空外壳中，应该基本上感觉不到除重力之外的任何外力。 如果相隔数百万公里并通过激光连接，这样的系统就可以探测到经过的引力波引起的极其微小的距离变化。 然而，在一个阳光照射的、布满加热器、天线和推进器的航天器内达到完全静止状态远非易事。
“想象一下细菌坐在你手上的重量——这大致相当于立方体[允许]偏离航天器上的自由落体的残余加速度、力，”麦克纳马拉说。 LISA Pathfinder上的激光测量立方体与外壳壁的距离，引导微型推进器使航天器保持在立方体的中心。 微型推进器非常微小，以至于一千个全速发射的微型推进器几乎无法在地球引力中抬起一张笔记本纸——然而，450公斤的LISA Pathfinder仅携带六个。
绘制新生宇宙
2005年，在放弃LISA之前，美国国家航空航天局进行了一项小型研究，调查了一种可能的超大型后继者，该后继者包括四个类似LISA的星座的复杂排列，具有更强大的激光器和望远镜。 按照设想，被称为“大爆炸观测站”的任务可能会非常昂贵，以至于几乎没有研究人员敢于实际估算其价格标签。 它将对LIGO和LISA探测到100亿光年或更远距离的几乎所有相同目标敏感，但其真正的目标是组装一张来自原始宇宙最早时代的引力波的详细地图。
这种“随机引力波背景”将包含有关宇宙最初时刻及其神秘的暴胀时代的关键信息，在暴胀时代，宇宙似乎几乎瞬间从质子大小膨胀到柚子大小，同时放大了量子尺度的密度波动，从而塑造了最初的大尺度宇宙结构。 就其对我们理解——好吧，一切——的重要性而言，测量这样的信号甚至比绘制宇宙微波背景（CMB）更具革命性，宇宙微波背景是早期宇宙在大爆炸后约38万年首次冷却到透明状态时遗留下来的遗迹光。
CMB是使用光进一步窥探时间的字面意义上的防火墙——几乎所有关于早期事件的信息都由光子携带，因为它们在充满婴儿宇宙的热稠密等离子体中漫无目的地反弹而被擦除。 然而，对于原始引力波来说，CMB不是防火墙——它是一扇窗户。 那些波长很长的引力波可能会在CMB中留下微弱的印记，以标记它们的经过。 然而，大多数原始波会悄无声息地穿过，几乎不会与宇宙中其他任何东西相互作用，直到它们在正确的时间涟漪通过正确的探测器。
“在某种程度上，随机背景是最难探测到的东西，但也是最能为您提供洞察力的东西，因为黑洞和中子星有点过时了，”LIGO团队成员兼马克斯·普朗克引力物理研究所所长布鲁斯·艾伦说。“假设我们向前跳跃一千年，到我们高度发达的文明已经建造了覆盖整个引力光谱的天文台的时候。” 这样的工具可以绘制原始引力波的光谱，并可能区分其中的“扭结和隆起”，从而揭示宇宙演化中最早和最划时代的里程碑。
“也许不是一千年以后，”艾伦继续说道。“也许只需一个世纪就能建成类似大爆炸观测站的东西，再过一个世纪，我们将建造一些宽带的东西。 重要的是，获得随机背景光谱是人类最终能够通过引力波研究完成的最后一件事之一。 在宇宙的某个地方，可能有一个文明已经做到了这一点。 我们只是还没有——做到。”