请您回想四年前，引力波是当时的热门话题。2015年9月14日，LIGO-Virgo 合作组织首次探测到时空中的这些涟漪，并在数月后公布，在全球范围内引起了应有的轰动。现在，随着该发现四周年临近，该领域已经显著成熟，已经进行了数十次后续探测——并且有望在未来取得更激动人心的发现。
麻省理工学院的内尔吉斯·马瓦尔瓦拉说，这个领域“已经爆发了”。“我对我们能够取得的成就感到非常惊讶。无论是在天体物理学方面，还是在仪器设备的巨大改进方面，都令人震惊。”
包括首次发现，在三次观测运行中，迄今为止已总共进行了 23 次已确认的引力波探测。其中，20 次是黑洞合并，2 次是中子星合并，1 次是疑似首次已知的黑洞和中子星合并事件。每一次探测本身都令人兴奋，但探测的数量之多——从每月一次增加到几乎每周一次，这要归功于 2018 年和 2019 年 LIGO 的升级，提高了其灵敏度——令人印象深刻。据一些估计，引力波天文台到 2023 年可能会每小时捕捉到一次合并。“引力波天文学的爆炸性增长怎么强调都不过分，”俄勒冈大学的本·法尔说。
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由于这种爆炸性的增长，天体物理学的多个子学科都取得了显著进展。芝加哥大学的丹尼尔·霍尔茨说，对黑洞合并的研究现在看起来几乎“令人厌烦”，因为观测到的事件数量很多，但尽管如此，它正在被改变。“我们正非常迅速地进入种群和统计学领域，”他说。“我们不再分析一个，而是分析一大堆。现在我们可以看到分布方法是什么，有多少是大的，有多少是小的。即使它们继续‘令人厌烦’，这些令人厌烦的事件的分布也令人着迷。”
与此同时，LIGO 和 Virgo 观测到的首次中子星合并帮助研究人员探测了宇宙本身的一些基本方面。西北大学的克里斯托弗·贝里指出，来自该事件的伽马射线在引力波之后 1.6 秒被其他望远镜探测到，这使得对引力速度与光速进行了前所未有的测试。“我们预计它们的到达时间会略有差异，因为它们不一定同时产生，”他说。“但 1.6 秒的事实使我们能够验证光速和引力速度确实是相同的，正如广义相对论所预测的那样。”
科学家们希望探测相对论的另一种方法是观察被大质量物体“引力透镜”放大的引力波。正如光线在穿过星系和其他大质量物体的引力场时会被弯曲和放大一样，引力波也应该以同样的方式被扭曲。上个月，当两个看起来相似的引力波信号在地球上以 21 分钟的间隔相继出现时，天文学家们一度对可能探测到此类事件感到兴奋——这暗示这些波可能来自同一来源并且已被透镜放大。不幸的是，进一步的检查表明，背靠背的信号来自天空中的两个不同方向，但天文学家们仍然希望在未来发现此类事件，尽管这可能不容易。“偶然对准的概率非常小，”加州大学欧文分校的研究员阿桑塔·库雷说，他与 LIGO/Virgo 合作组织无关。“你必须[进行数百次观测]才能看到其中一个。”
透镜事件并不是天文学家们预期的唯一未来发现。最诱人的发现之一是可能探测到由超新星爆发引起的引力波。然而，这样的事件可能需要在我们星系中发生，LIGO 和 Virgo 才能探测到它。“这种情况大约每世纪发生一次，”霍尔茨说。“据我们所知，过去四年里没有发生过。所以这是我们仍然需要等待的事情。总有一天会发生的。”
更雄心勃勃的是，科学家们还认为，有一天可能会看到原始引力波，这是大爆炸后最初几分之一秒遗留下来的。这样的波将使研究人员能够比以往任何时候都更深入地回顾宇宙的诞生。“最早到达我们观测者的光是宇宙在 40 万岁时[发射]的，”马瓦尔瓦拉说。“然而，引力波从大爆炸后的最初时刻就一直在向我们传播。”不幸的是，这种波的信号应该非常微弱，以至于只有所谓的第三代引力波探测器，例如美国计划中的宇宙探测器或欧洲的爱因斯坦望远镜，才有可能探测到它们。
当然，引力波的涌现也揭示了意想不到的新谜团。一个例子是参与这些合并的黑洞的未知起源，这些黑洞被称为恒星质量黑洞，因为它们的质量是太阳质量的数倍。“天真地，你可能会认为，好吧，这类黑洞是普通恒星爆发超新星的残余物，”马瓦尔瓦拉说。“但我们知道普通恒星不可能长到太阳质量的数十倍。因此，这种形成情景不容易得到支持。”另一种可能性是它们是较小黑洞合并的结果，但这需要宇宙中存在难以想象的大量较小黑洞才能解释所看到的合并数量。真正的答案目前仍然难以捉摸。
四年过去了，引力波天文学的增长没有放缓的迹象。“我认为这是一场革命，”贝里说。“我们真的睁开了眼睛，看到了那里有什么，那是看不见的，我们只能通过引力波来揭示。”随着探测到的信号越来越堆积如山，未来还会有更多发现。