直到最近，引力波可能只存在于爱因斯坦的想象中。在被检测之前，这种时空涟漪在科学家看来仅存在于物理学家爱因斯坦的广义相对论中。
现在，科学家不仅有两种方法可以检测这些波，而且还在寻找更多方法。引力波研究正在蓬勃发展，美国纳什维尔范德比尔特大学的天体物理学家Karan Jani说: "这简直太不可思议了。我想不出基础物理学中的任何一个领域能够取得这么快的进展。"
就像光有不同的波谱一样，引力波也有不同的波长。不同波长指向不同的宇宙起源，需要不同类型的检测器。
波长数千公里的引力波，像美国激光干涉引力波天文台(LIGO)及其合作伙伴意大利的Virgo和日本的KAGRA所检测到的那些，主要来自质量为太阳10倍左右的并合黑洞对，或者来自称为中子星的致密宇宙物质的碰撞(SN: 2/11/16)。这些检测器也可以发现某些类型超新星爆炸和快速自转的称为脉冲星的中子星产生的波(SN: 5/6/19)。
相比之下，跨光年的巨大涟漪被认为是由双子超大质量黑洞轨道运动产生的。这种黑洞的质量为太阳质量的数十亿倍。今年6月，科学家利用整个银河系作为探测器，观察这些波如何调节遍布银河系的脉冲星定期闪烁的时序，首次获得了这类波的强有力证据(SN: 6/28/23)。
得到小涟漪和大海啸等价物之后，物理学家现在希望深入各种尺寸的宇宙引力波之海。这些涟漪可以揭示关于诸如黑洞等奇异天体以及未知宇宙的新详情。
斯坦福大学物理学家Jason Hogan说:"引力波谱中还有很多空白。" 但他说，全方位布局是有意义的。"谁知道我们还能找到什么?"
为了捕捉宇宙中全部引力波，天文台可能需要深入太空或月球，进入原子尺度或其他地方。
以下是一些科学家为寻找新类型波而关注的前沿的例子。
深入太空
乍一听激光干涉空间天线(LISA)似乎难以置信。三艘太空飞行器组成边长250万公里的等边三角形，在围绕太阳的轨道上互相发射激光。但这个欧洲空间局计划于2030年代中期实施，绝不是虚构(SN: 6/20/17)。它是许多科学家进入新引力波领域的最大希望。
巴塞罗那自治大学和高能物理研究所的理论物理学家Diego Blas Temiño说:"LISA是一个令人难以置信的实验。"
当引力波经过时，LISA会根据三角形角点的激光干涉情况检测到三角形边的伸缩。2015年发射的验证概念实验LISA探路者证明了这种技术的可行性(SN: 6/7/16)。
通常，为了捕捉更长波长的引力波，需要更大的探测器。LISA能让科学家看到百万公里长的波长。这意味着LISA可以检测到轨道运动的黑洞，它们的质量将是巨大的，但适中，数百万倍太阳质量，而不是数十亿倍。
重返月球
随着美国国家航空航天局的阿尔忒弥斯计划旨在重返月球(SN: 11/16/22)，科学家正从地球的这颗卫星中获取灵感。命名为月球激光干涉仪(LILA)的拟议实验将在月球上部署引力波探测器。
没有人为活动和其他地球扰动的干扰，引力波在月球上应该更容易识别。贾尼说:"那里几乎像一种精神上的宁静。如果你想倾听宇宙的声音，太阳系中没有比我们的月球更好的地方。"
与LISA类似，LILA也会有三个发射激光组成边长约10公里的三角形。它可以捕捉数十万或数百万公里长的波长。这将填补空间LISA和地面LIGO之间的波长差距。
因为环绕的天体如黑洞在靠近合并时会加速，随着时间的推移它们会发出越来越短的波长的引力波。这意味着LILA可以在黑洞合并前的几周内观察它们的closing in，给科学家发出即将发生碰撞的预警。然后，一旦波长够短，地面天文台如LIGO将捕捉到信号，捕捉到碰撞的时刻。
月基选项的另一种是利用月球激光测距，通过这种技术，科学家用激光测量地球与月球之间的距离，依靠之前月球任务在月面安置的反射器。
这种方法可以检测震荡地球和月球的引力波，其波长介于脉冲星计时法和LISA之间，Blas Temiño和同事在2022年的《物理评论D》上报告。但这种技术需要在月球上改进反射器，这是再次踏上月球的又一个理由。
原子尺度
另一种努力旨在定位来自宇宙初期时刻的引力波。这些波将在暴胀期间产生，即大爆炸之后，宇宙规模急剧扩张的时刻。这些波的波长将比以往见过的都长，长达1021公里或1百万亿公里。
但这项追寻2014年就开了个坏头，当时BICEP2实验的科学家宣称在宇宙最古老的光，余辉中发现了印在其中漩涡图案中的引力波。后来这一说法被推翻(SN: 1/30/15)。
一个称为CMB-Stage 4的计划将继续这项探索，规划了多个新望远镜来细致检查宇宙最古老的光线寻找这些波的迹象，这次，希望不再有失足。
这些引力波如此神秘，以至于它们的检测技术也还在摸索中。但波长足够短小，可以用高精度的实验室规模实验观测到，而不是巨大的探测器。
科学家甚至可能能够重新利用原本设计其他目标的实验的数据。当引力波遇到电磁场时，涟漪的行为方式类似于假想的次原子粒子轴子(SN: 3/17/22)。因此，寻找这些粒子的实验也可能揭示微小的引力波。
引力波范围
引力波有着从短到长不同的波长范围。每个波长范围由不同的源产生。脉冲星和爆炸性超新星产生一些短波长的涟漪。另一些波则由中子星对或质量低于100倍太阳的恒星质量黑洞对产生。还有更长波长的涟漪由超大质量黑洞对产生。
不同波长可以用不同类型的探测器探测到，包括地面探测器LIGO，空间探测器LISA，以及对称为脉冲星的死星的脉冲观测。特别长的波长可能通过研究大爆炸之后释放的称为宇宙微波背景的光来检测。其它类型的探测器(图中未画出)可以填补空白。
新的视角
探测引力波就像逆流而上:艰难但值得，因为可以欣赏到美景。 “引力波检测真的非常非常困难。” Hogan说，LIGO花了几十年才探测到第一波涟漪，脉冲星计时技术也一样。但天文学家立即开始获得回报。“这是宇宙的全新视角。” Hogan说。
引力波已经帮助确认了爱因斯坦的广义相对论，发现了一个新的适中质量黑洞类别，并揭示了两种称为中子星的超致密天体碰撞所产生的烟花(SN: 2/11/16; SN: 9/2/20; SN: 10/16/17)。
而引力波探测还仅仅开启。科学家们只能猜测未来的探测器将暴露什么。Hogan说:"有更多有待发现的事物。这势必会很有趣。"
本文译自 sciencenews，由 BALI 编辑发布。
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