很难相信，但不到10年前，人类仍然不确定引力波是否真实。 当然，我们已经看到有证据表明，近距离轨道上的大质量物体正在表现出轨道衰变，但我们还没有直接探测到它们辐射的能量：理论上是以引力波的形式。 2015年9月14日，先进的Ligo探测到来自两个合并黑洞的第一个引力波信号。 从那时起，Ligo已经升级为包括额外的引力波探测器，并见证了100多个合并和合并候选者，探测到质量高达太阳质量100倍的低质量中子星和黑洞。
然后，在去年，即 2023 年，一种探测引力波的新方法取得了首次成功。 通过使用一系列天然天文钟（毫秒脉冲星），天文学家能够发现宇宙低频引力波背景的第一个证据。 引力波天文学的最终目标是雄心勃勃的：对黑洞和中子星的数量进行完整的普查和了解，以及整个宇宙历史中螺旋和合并事件的速率。 值得注意的是，有四个前沿正在被引力波的进步积极地推回。 以下是提高我们对宇宙的理解的东西。
三种不同的引力波方法，地基激光干涉仪、天基激光干涉仪和脉冲星定时阵列，都对不同类别的引力波信号敏感。 虽然LIGO是第一个在非常高频率下探测引力波的合作，但nanogr**合作在非常低（纳赫兹）的频率下已经看到了强有力的证据。
1.最大的黑洞。
引力波最引人注目的方面之一是，只要你有引力波，它们就会产生：
一个质量在加速运动中穿过一个弯曲的空间区域，这是由另一个质量的存在引起的。
这适用于几乎所有的引力系统，从地月系统到我们的太阳系，再到银河系中的恒星以及星系群或星系团中的所有星系。 然而，如果你想要最强的引力波信号，你需要在轨道距离上寻找可能彼此最接近的最大质量。
这意味着表现出最大振幅的引力波将来自质量最大的轨道系统，其中两个质量达到彼此最近的距离：来自双超大质量或超大质量黑洞，特别是在它们的两个事件视界相互接触之前的那一刻。 整个宇宙中所有超大质量和超大质量黑洞的综合效应是预期的，也是最有可能的罪魁祸首，脉冲星在背景中定时探测到引力波。 随着逐步改进的进行，完全可以预期，第一个单独的系统——最接近轨道和最大规模的系统——将很快从这些数据中出现。
随着精确观测到的毫秒脉冲星数量和每颗脉冲星观测时间的增加，NanoGR**合作所观察到的信噪比也随之增加。 随着这些数字的不断上升，我们很快就会越过重要的“**标准”，能够描述我们宇宙的这种背景“嗡嗡声”的本质。
如果你只有一颗毫秒脉冲星，你可以完美地测量它的时间，你将测量所有通过它的引力波的综合效应，以一种规则和可接受的方式缩短和延长从脉冲星到我们望远镜的光的距离。 尽管单个脉冲星（以及监视它们的望远镜和阵列）具有固有的误差和不确定性，但大型脉冲星阵列要好得多。 特别是如果你的系统在很长一段时间内相对稳定（对于最大的系统来说，这是预期的），这些引力波信号将同时清洗你所有的脉冲星，让你能够挑选出一个足够强的信号。
如果有两个黑洞，每个黑洞的质量都在10亿太阳质量或更多，在可观测宇宙的几乎任何地方都非常接近地相互绕行（它们可能会在未来几百万年内合并），脉冲星定时测量应该能够在未来十年或二十年的某个时候挑选出这些单独的物体。 这是一个快速发展的领域，随着现有设施和即将到来的新天文台的结合 - 例如拟议的N**LA（下一代超大阵列） - 这些超大质量黑洞双星，应该导致整个宇宙中最大的黑洞，将很快被揭示。
这个动画显示了一个质量较低的黑洞穿过一个更大的超大质量黑洞周围形成的吸积盘。 当一个较小的黑洞穿过圆盘时，就会发生耀斑。 在足够长的时间尺度上，这些黑洞将螺旋并合并，在此过程中产生巨大的引力波信号。
2.超大质量黑洞和极端质量比合并。
虽然宇宙中的超大质量黑洞——所有黑洞中质量最大的黑洞，质量在数十亿到数百亿个太阳质量中——可能是最令人印象深刻的，但它们并不代表大多数超大质量黑洞。 在几乎所有已知星系的中心，都有相对较小的超大质量黑洞：有数百万、数千万或数亿个太阳质量，例如银河系中心的黑洞、仙女座星系和大多数已知的大型星系。 然而，由于它们的质量较低，脉冲星可能距离它们的存在很敏感还有很长的路要走，即使它们与另一个轨道黑洞伴星处于一个双星系统中。
同时，我们不能指望用地面探测器探测到这些物体，因为围绕百万太阳质量黑洞运行的物体会发出特征周期约为100到1000秒的引力波，而Ligo和其他地面探测器只能探测到周期在毫秒到十分之一秒之间的引力波。 幸运的是，有一种解决方案不仅仅是理论上的，而且正在设计和建造，可以在短短几年内飞行：一种天基引力波探测器，其激光臂之间的距离很远。 即将飞行的版本叫做Lisa：激光干涉仪空间天线。
在太空中，三个等距探测器通过激光臂连接，它们间隔距离的周期性变化可以揭示适当波长的引力波的通过。 LISA将是第一个能够探测超大质量黑洞和落入其中的物体的时空涟漪的人类探测器，从高质量的双黑洞伴星到恒星质量黑洞等低质量物体，甚至中子星，也可能是白矮星。
当这三个航天器在太空中飞行时，它们之间的距离会随着时间的推移而变化，但引力波信号会作为时空的涟漪叠加在它们身上。 质量比地面探测器大的黑洞是第一次敏感（可能高达几百个太阳质量），但质量小于脉冲星对时间敏感的十亿太阳质量（甚至更高），这些庞然大物将落入我们的范围。 在数十亿光年之外，丽莎将对以下事物敏感：
双黑洞（质量相当），重量从大约10,000到数千万太阳质量不等，质量比螺旋大，只有1-100太阳质量的物体落入典型的超大质量黑洞，ligo和其他地面探测器对黑洞的类型很敏感，除了在螺旋阶段的早期阶段， 允许我们**恒星质量双黑洞合并发生（并且很可能在**）。
重要的是要记住，尽管Ligo已经探测到大量的黑洞，并且对更远距离的黑洞和中子星越来越敏感，但它所见过的最大黑洞只有100个太阳质量。 在星系中心仍然有一组非常重要的黑洞，它们在很大程度上是由周围物体发出的发光辐射间接探测到的。 在引力波中看到它们将，而且很可能会打开一扇通往宇宙的全新窗口。
当光学干涉仪的两个臂长度完全相等且没有引力波通过时，信号为零，干涉图案恒定。 随着臂长的变化，信号是真实的和振荡的，并且干涉方向图会随着时间的推移而变化，以一种可以使用的方式。 这种技术用于直接揭示引力波的存在。 美国宇航局的太空广场。
3.中等质量的黑洞和由超验恒星产生的黑洞。
即使丽莎在太空中运行，而先进的Ligo（加上Virgo、Kagra和Ligo India）在地面上运行，地面探测器能看到的最高质量黑洞（上限约为200个太阳质量）与太空探测器能看到的最低质量黑洞之间仍然存在差距， 低至约10,000个太阳质量。
那么这个中间范围的恒星种群呢：即使是质量最大的恒星也可以产生，但数量相对较少？
有一种方法可以实现这一目标：建造一个超先进的地面引力波探测器，其尺寸大约是目前存在的Ligo探测器的十倍。 请记住，当今的地面引力波探测器的工作原理是：
将光分开，沿着两端都有镜子的长而直的垂直臂射下，来回反射光约1000次，然后将光束重新组合在一起，并观察它在干涉图案中如何随时间变化，因此，我们可以提取任何正确频率的引力波信号来改变干涉图案。
这张照片拍摄于路易斯安那州的利戈·利文斯顿（Ligo Livingston），显示了两个垂直4公里臂之一的“向下”视图，激光通过该臂被多次反射并聚集在一起，形成对引力波的存在敏感的干涉图案。 使用具有 10 倍臂长的探测器，我们对 10 倍长周期的需求很敏感，这使我们能够填补 Ligo 和 Lisa 灵敏度之间的差距。 **e. siegel
Ligo有一个4公里长的手臂，对引力波很敏感，周期约为1秒或更短。 但是，如果它有一个40公里长的臂，它可以探测到需要更长时间才能产生的引力波：黑洞的事件视界更大，质量比当前一代引力波探测器所能看到的还要大。
当然，建造如此大型的引力波天文台还有很多挑战。 您必须考虑：
事实上，手臂必须完全笔直，需要在地下建造隧道，或者在地面上建造大型支撑结构，考虑到地球的曲率，从字面上看，是土地数量的十倍，因为很难找到一块合适的“L”形土地，在两个垂直方向上可用 40 公里， 在21世纪严酷的政治气候下，公共资助此类大型项目的意愿不断受到威胁，以及其他问题。但这些都不是基本的科学问题。 激光器压缩量子态的进步，当前引力波探测器本底噪声的降低，以及处理大量数据和快速自动搜索候选事件的进步，都有助于为下一代地面引力波探测器提供科学基础。 如果我们建造它们，我们最终将能够理解黑洞合并如何使它们从恒星质量增长到超大质量质量。
我们知道，当两颗中子星合并时，正如这里模拟的那样，它们会产生伽马射线暴的射流，以及其他电磁现象。 但也许，在某个质量阈值以上，形成了一个黑洞，两颗恒星在第二块面板上碰撞，然后所有额外的物质和能量都获得了，并且没有逃逸信号。 确定中子星和黑洞之间可以形成的质量边界是现代引力波天文学的目标之一。
4.最轻的黑洞和所谓的“质量间隙”。
还有一个非常大的问题仍然困扰着当今研究宇宙的最佳天体物理学家：当最重的中子星和最轻的黑洞之间的线在内时，这些物体是如何形成的？ 我们已经知道一些事情。
我们已经看到质量低至3个太阳质量的黑洞，以及重至2个太阳质量的中子星。
从观测上讲，我们知道，如果两颗总质量足够低的中子星合并在一起，它们将产生一颗中子星; 如果它们的总质量足够高，它们就会产生一个黑洞。
从有记录以来最接近的引力波事件，即2017年的中子-中子星合并，只有1在3亿光年处，我们可以相当肯定地看到中子星-中子星合并在几分之一秒内短暂地变成中子星，然后坍缩成黑洞。
人们普遍认为，最重的中子星和最轻的黑洞都是由中子-中子星合并产生的，最近，脉冲星定时科学刚刚揭示了一颗特殊的脉冲星PSR J0514-4002E，它有一个双伴星，它是一个质量为2的致密天体09 到 2在71个太阳质量之间，使其成为已知最重的中子星或最轻的黑洞。
截至 2021 年 11 月（在 LIGO 第三次数据运行结束后，但在第四次数据运行开始之前）通过电磁波和引力波观测到的所有黑洞和中子星的最新图像。 虽然这些范围从太阳质量稍大的物体（对于最轻的中子星）到太阳质量稍大的物体，但引力波天文学目前只对合并黑洞的一组非常狭窄的物体敏感。 在 2022 年 11 月发现盖亚 BH1 之前，最近的黑洞被发现为 X 射线双星。 中子星和黑洞之间的质量“边界”仍在确定中。
这很重要，因为黑洞在宇宙中产生的主要方式——来自大质量恒星核心的坍缩——努力产生质量小于 5 个太阳质量的黑洞。 最初，“2到5个太阳质量”的范围被称为质量差距，因为在很长一段时间内几乎没有发现任何质量差距。 然而，目前我们知道有超过2颗太阳质量的中子星，一旦你超过2颗7 或 2有8个太阳质量，一切都需要是一个黑洞。 （据信，在高质量端，你可以有中子星或黑洞，这取决于物体的自旋。
探测这种状态是令人着迷的，因为它可能是脉冲星定时和地面引力波探测器对同一类物体敏感的唯一情况。 如果你有一颗组合的中子星，它们可以产生中子星或黑洞，如果你有一颗脉冲中子星围绕双星伴星运行，那么伴星可以：
是黑洞，还是中子星，还是一颗成熟的大质量恒星，它将到达生命的尽头并死亡，成为黑洞或中子星。
目前尚不清楚哪种方法对于探测这个边界区域的信息量更大，该边界区域位于中子星和黑洞可能边界的边缘，但这两种类型的观测对于解决这个难题都至关重要。
通过观察球状星团NGC 6397内部，许多天文学家希望找到一个中等质量的黑洞。 相反，正如艺术家的印象所显示的那样，只发现了一团质量较小的黑洞。 天文学家终于接近了宇宙中黑洞的质量函数和分布。 **欧空局哈勃，n bartmann
就在几年前，在21世纪初，我们掌握的黑洞的唯一证据是间接的：来自黑洞外加速物质的电磁辐射，或者来自一颗恒星的电磁辐射，它似乎围绕着一个神秘的、巨大的点运行，那里似乎没有光出现。 今天，所有这些都发生了巨大变化，因为除了这些证据之外，我们现在还有：
黑洞周围事件视界的直接图像，引力波探测，来自脉冲星时间，引力波穿透宇宙的随机背景，以及引力波探测，来自吸气和合并致密物体，揭示了中子星和黑洞的合并，范围从1到200个太阳质量。
最终目标是能够描述整个宇宙中所有质量的黑洞种群。 我们估计了可观测宇宙中所有黑洞的总数和总质量：有40万亿个黑洞，大约是004%，约占恒星总质量的10%。 但是有多少是质量的函数，质量函数如何随着时间的推移而演变？ 随着下一代引力波天文台的出现，到21世纪中叶，2024年的这些重大问题可能会得到解答，并获得可靠的数据。