天文
探测引力波的五种新方法
科学家正开发新技术，探测现有设备无法检测的引力波频率，揭示宇宙更多秘密。
观测站、实验和技术正在开发中，以检测目前无法探测到的空间波动频率。
2015年9月，持续仅五分之一秒的震动改变了物理学的历史。这是第一次直接探测到引力波——在宇宙中以光速传播的时空几何扰动。
天文学家说，这就像获得了一种新的感官——在2015年之前，他们只能“看到”宇宙事件，而现在他们也能“听到”它们。自那时起，在路易斯安那州和华盛顿州的两个大规模激光干涉仪引力波天文台(LIGO)，以及它们在意大利比萨附近的兄弟Virgo天文台，记录引力波已经变得几乎是日常惯例。
引力波的探测为探索自然法则和宇宙历史提供了新的途径，包括黑洞和它们起源的大恒星的生命故事。对于许多物理学家来说，引力波科学的诞生是过去十年中罕见的亮点之一，瑞士日内瓦大学的理论物理学家Chiara Caprini说。其他有前景的探索领域令人失望：暗物质搜索一无所获；位于日内瓦附近的大型强子对撞机除了希格斯玻色子外没有发现任何东西；甚至一些新的物理学迹象也似乎在消退。“在这个相当平淡的领域，引力波的到来是一股清新的空气，”Caprini说。
这一罕见的亮点看起来将变得更加明亮。
到目前为止，所有超过100个引力波事件只是物理学家认为存在的一个小样本。LIGO和Virgo打开的窗口相当狭窄，主要限于100-1000赫兹范围内的频率。当一对重星或黑洞缓慢地螺旋式接近彼此时，经过数百万年，它们会产生频率逐渐增加的引力波，直到在物体碰撞前的最后几秒钟，波动进入这个可检测的范围。但这只是许多预计会产生引力波的现象之一。
LIGO和Virgo是激光干涉仪：它们通过检测沿垂直臂发射的激光的旅行时间的微小差异来工作，每个臂长几公里。当引力波经过时，这些臂会扩展和收缩微小的量。研究人员现在正在地球上和太空中开发几种下一代LIGO型观测站，其中包括激光干涉仪空间天线；甚至有人提出在月球上建造一个1。有些设备可能对低至1赫兹的引力波敏感。
但物理学家也在探索完全不同的技术来探测引力波。这些策略，从观察脉冲星到测量量子波动，旨在捕捉频率范围从兆赫兹到纳赫兹(见“开启引力波之窗”)的更广泛种类的引力波。
通过扩大观测窗口，天文学家应该能够观察黑洞互相旋转数天、数周甚至数年，而不仅仅是捕捉碰撞前的最后几秒钟。他们还将能够发现由完全不同的宇宙现象产生的波动——包括巨型黑洞，甚至宇宙起源本身。所有这些，他们说，将揭开宇宙中许多尚未解开的秘密。
脉冲星定时阵列：捕捉持续十年的波动
去年，一种可行的干涉仪替代方案进入了探测领域。
自2000年代初以来，射电天文学家一直试图利用整个银河系作为引力波探测器。诀窍是监测数十个称为脉冲星的中子星。脉冲星每秒自转数百次，同时发射无线电频率光束，产生看起来像每次转动时的光脉冲。
扫过银河系的引力波会改变地球和每个脉冲星之间的距离，造成每年检测到的脉冲星频率的异常。脉冲星定时阵列(PTA)——脉冲星集合的观测——应该能够检测到由引力波引起的频率只有纳赫兹的变化，例如由超大质量黑洞对产生的波动。这样的波动需要数十年的时间才能通过某个观测点，这意味着需要数十年的观测来发现它们。
2023年，PTA技术开始取得成果。北美、欧洲、澳大利亚和中国的四个独立合作团队揭示了一种从随机“随机背景”引力波中预期的模式的令人兴奋的线索，这些引力波可能由超大质量黑洞双星的喧嚣引起，耶鲁大学的天体物理学家Chiara Mingarelli说。
这些团队还没有使用“发现”这个词，因为每个合作团队揭示的证据还不够确凿。但三个团队——除了中国的那个——现在正在合并他们的数据并进行联合分析，希望能达到“D”字。这需要细致的工作，因为每个团队以略有不同的方式处理其原始数据，因此可能还需要至少一年时间才能发表成果，美国国家射电天文台的天体物理学家Scott Ransom说，他是北美合作团队的高级成员。
“在我们目前的数据中，我们几乎肯定有个别超大质量黑洞双星的线索，”Ransom说。每多一年的观测，他们应该离从喧嚣中解决单个黑洞对越来越近。“情况只会越来越好。”
微波望远镜：捕捉来自宇宙大爆炸的波动
在LIGO 2015年探测之前一年，一个使用南极望远镜BICEP2的宇宙学家团队声称他们发现了引力波——不是直接的，而是在被称为宇宙微波背景(CMB)的光模式中，有时被描述为宇宙大爆炸的余辉。
BICEP2的声明被证明为时过早，但宇宙学家现在加倍下注这一想法。在智利北部阿塔卡马沙漠的一座山顶上，名为西蒙斯天文台的比BICEP2强大得多的望远镜阵列正在建立中。一些研究人员对名为CMB-S4的更强大阵列抱有希望(最初建议在智利和南极建立12台望远镜)——尽管在5月，由于美国南极基地的破旧，该项目计划被搁置。
宇宙学家在寻找的是CMB中涡旋的特定“B模”模式——微波摇摆的优先方向——这将被引力波的经过所印刻。理论认为，这种波动应该由膨胀产生，膨胀是指宇宙大爆炸时快速指数级膨胀的一次爆发2。膨胀可以解释宇宙最显著的许多特征，例如它的平坦性和质量分布。膨胀产生的引力波应该从高频开始，但现在已经降至大约10^-14赫兹的极低频率。
虽然膨胀是被接受的宇宙学理论的基石，但目前还没有证据。B模模式将是直接证据，此外，还将揭示涉及的能量尺度，这是理解推动膨胀的第一步。
问题是，没有人知道这个能量尺度是否足够大，能留下明显的痕迹。“膨胀预测了B模，但我们不知道它是否足够大到可以被检测到，”约翰霍普金斯大学的理论天体物理学家Marc Kamionowski说。但如果主流模型是正确的，西蒙斯天文台或CMB-S4应该最终找到它，他说。
原子干涉仪：填补空白
尽管许多这些项目将引力波科学推向较低的频率，它们仍留下了一个低于1赫兹的关键空白。
探测这些频率可以揭示比LIGO探测到的更大质量的黑洞合并(LIGO探测到的波来自质量最多几十倍太阳质量的恒星塌缩)。日内瓦大学的物理学家Chiara Caprini表示：“这是一个未探索的区域，但可能充满了黑洞。”
一种新兴技术或能解救，根据伦敦帝国理工学院的物理学家Oliver Buchmüller所言：“原子干涉仪填补了我们目前无法用其他技术探索的空白。”原子干涉仪是一种垂直高真空管，物理学家释放原子使其在重力作用下自由落体。在此过程中，物理学家用激光照射原子，使其在激发态和放松态之间切换——这是原子钟使用的原理。斯坦福大学的物理学家Jason Hogan表示：“我们正在尝试将这种原子钟技术推向极限。”
为了探测引力波，物理学家计划在同一垂直管内不同高度释放两组或更多原子，并测量激光脉冲从一组原子到另一组原子的时间。引力波的通过将导致光在它们之间的传播时间略有变化——这种变化小于十亿亿分之一。
斯坦福大学的先锋实验已经开发出10米落差的原子干涉仪，但探测引力波需要至少1公里高的设备，可以安装在矿井中或甚至在太空中。作为第一步，世界各地的几个团队计划建设100米的原子干涉仪作为测试平台。一个名为MAGIS-100的设施正在芝加哥附近的费米国家加速器实验室的现有井中建设，预计2027年完工。
桌面探测器：提高频率
其他研究人员正在探索使用更小(也更便宜)的探测器来检测引力波——其中一些可以放在桌面上。这些探测器旨在监测极高频率的引力波。目前已知现象可能不会产生这种波，但一些推测性理论预测它们的存在。
位于伊利诺伊州埃文斯顿的西北大学的悬浮传感器探测器(LSD)看起来像一个玩具版的LIGO：它在相距仅1米的镜子对之间反射激光。LSD是新型仪器的原型，旨在利用共振原理探测引力波：即通过适时的小推力让孩子在秋千上荡得越来越高的原理。
在LSD的每个臂的真空中，激光光束悬浮着一个直径仅几微米的粒子。与干涉仪类似，引力波的通过会使每个臂的长度交替伸长和压缩。如果引力波的频率与设备的频率共振，激光将给粒子许多微小的推力。LSD可以以飞米的精度跟踪粒子的运动，西北大学的物理学家Andrew Geraci表示。
LSD被设计为对频率约为100 kHz的引力波敏感。如果团队能控制实验噪声——并且这种波存在——这个原型或许已经有机会探测到一些。Geraci说：“取决于你有多乐观，即使是1米的设备我们也可能测量到该频段的真实信号。”未来的版本可以扩展到100米长的臂，这将提高其灵敏度。
英国南安普顿大学的理论物理学家Ivette Fuentes提出了一个更小的共振探测器想法。她旨在利用一种称为玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)的物质状态中的声波——这是一个温度仅比绝对零度高几百万分之一度的原子云。如果引力波通过时的频率与声波共振，它就能被探测到。由于寻找这个信号的过程会破坏BEC，每秒钟需要释放新的原子流。Fuentes说，这个过程可能需要重复数月才能成功探测到。
理论上，基于BEC的探测器可以将引力波的搜索扩展到极高频率，达到1 MHz或更高——当然，前提是它们存在。Fuentes表示，她的方案需要将BEC技术稍微推向当前的技术前沿。“我认为这个想法非常大胆，”她说。物理学家推测，高频引力波可以揭示宇宙大爆炸后第一秒左右的奇异物理现象。“我们可以用它来研究宇宙在非常高能量下的状态，”Caprini说。
量子晶体：只需一秒
一个更为激进的引力波探测方案涉及将物体放在两个位置上。
伦敦大学学院的物理学家Sougato Bose提出了一种设备，将一个微米级的钻石晶体置于两个量子态的叠加中。在他的方案中，晶体的两个‘形态’将被推开到1米的距离，然后再次聚合——这是一个极其精细的过程，被比作将儿歌角色Humpty Dumpty摔碎后的修复。引力波的通过会使一个形态在分开时比另一个形态走得更远，当它们重聚时会产生可测量的不同。整个过程大约需要一秒钟，这使得设备对约1 Hz的引力波敏感。
这个想法非常雄心勃勃：目前这种量子技术仅对分子大小的物体有效，还没有人测试过是否可以将量子怪异推向这种极端。Bose说：“将Humpty Dumpty拼回去从未在晶体上演示过。”
但如果这种技术能够完美实现，那么像这样的桌面实验可以使引力波探测不再局限于少数大型实验室。所有这些技术结合起来，可以大大拓展可观测的范围。“前景非常光明，”Caprini说。