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问题描述

引力波天文学是一门新兴的交叉学科，其研究涵盖了天文学、物理学、数据计算、工程科学等多个领域。随着越来越多的引力波事例的发现，人类正在逐渐打开一个观测宇宙的全新窗口。那么，未来引力波的探测将会在哪些观测站实现？这些观测将能捕捉到什么样的引力波信号？这些引力波信号将会给我们揭示一个怎样的宇宙？这个宇宙图景又会告诉我们其背后什么样的深层次物理规律？

问题背景

爱因斯坦的广义相对论是物质与时空相互作用的动力学理论。引力波是广义相对论预言的一种时空涟漪，它是时空本身的一种波动现象。这种波动在传播中很少受到物质分布的影响，所以保留着引力波源的原初信息，可用来研究引力波源在宇宙中的产生与分布，以及宇宙本身的形成与演化过程。 2015年9月14日，美国的高新激光干涉仪引力波天文台LIGO首次直接探测到了来自双黑洞并合的引力波信号，提供了宝贵的双黑洞演化的天体物理信息。更重要的是，引力波的观测给人类探索宇宙提供了一个全新的视角。其后，LIGO与意大利的室女座引力波探测器Virgo的协同运行，已累计探测到数十例引力波事件。其中的首例双中子星并合，被全球70多家望远镜与卫星跟进观测，史无前例地揭示了中子星物理在多波段电磁学、以及多信使协同探测中的重要物理过程。 引力波的成功探测激起了科学界广泛的兴趣。实验学家与理论学家正在积极思考下一代引力波探测器的设计与运行，以及它们在帮助人们更深层次地认识宇宙与理解物理规律方面所能带来的深远影响。

最新进展

国内外多家研究单位正在加强对于引力波物理的研究，特别是期望扩展现有引力波探测的频段与相应的科学目标。未来引力波探测主要包括千赫兹的高频地面引力波探测、毫赫兹的空间引力波探测、纳赫兹的脉冲星测时阵列探测、以及极低频的宇宙微波背景辐射极化探测等。 千赫兹的高频地面引力波探测日本和印度在建的地面引力波探测器，将于近年内加入全球引力波探测器网络，从而实现对波源的高精度定位。同时，欧洲和美国正在研发下一代的地面引力波探测器，有望将现有探测灵敏度提高十倍以上，从而能够探测到千倍以上的引力波事例数，几乎囊括了宇宙中所有的恒星级黑洞并合。科学挑战点包括如何构建并理解高精度的引力波波形、如何有效地把大量双黑洞事例作为宇宙学标准汽笛、如何从探测事例分布反推引力波源形成的天体物理过程等。 毫赫兹的空间引力波探测 欧洲与美国的宇航局合作研究的空间激光干涉仪将于2030年左右运行，国内团队也正在研发我国自主的空间引力波探测项目。空间引力波探测器将打开毫赫兹频段的探测窗口，探测目标包括中等质量和大质量的双黑洞并合、银河系内相对论性的双星系统、极端质量比的旋近事例等。科学挑战点在于如何快速并有效地处理空间引力波数据、如何理解中等质量和大质量双黑洞相关的天体物理、如何构建极端质量比的旋近波形等。 纳赫兹的脉冲星测时阵列探测国际上澳大利亚、欧洲、美国三组脉冲星测时阵列已经运行了十余年；我国以贵州五百米口径射电望远镜领衔的中国脉冲星测时阵列也正在逐渐成形。脉冲星测时阵列将会把近邻宇宙中来自超大质量双黑洞并合的纳赫兹频段引力波作为主要探测目标。科学挑战点在于研究波源的性质、双黑洞与星系的协同演化过程、及其相应的各个电磁波段的辐射。 极低频的宇宙微波背景辐射极化探测 宇宙微波背景辐射物理研究是探知宇宙起源的重要观测手段。我国目前正在西藏阿里地区建设北天区第一个地面观测实验，核心科学目标是捕获其极化信号的原初起源，这将有机会为我们揭开宇宙学研究中原初引力波的神秘面纱，并对极早期宇宙模型进行严格筛选。科学挑战点是如何在复杂的宇宙微波背景辐射极化信号中有效地分离包括前景噪声、引力透镜效应、宇宙磁场等在内的物理因素，最终成功萃取宇宙学起源的原初极化信号。 在各个频段独立探测引力波的基础上，如何有效结合以上几种探测手段、从而实现多频段探测，以及如何结合电磁学观测和中微子实验、从而实现多信使探测，都是引力波天体物理研究的前沿热点与难点。

重大意义

引力波的探测能够打开我们的视野，研究电磁学手段所难以企及的宇宙的“黑暗面”。在各个频段上，引力波将帮助我们在十个数量级范围内认识从恒星级到星系级质量的黑洞，从而理解黑洞的形成与演化，以及与之共生的星系与宇宙；帮助我们理解中子星的产生和并合过程，揭示极端情况下核物质物态方程以及黑洞视界的形成。另外，引力波的波形中包含了关于时空与物质的丰富的信息，能够用来探索包括宇宙膨胀、暗物质、引力、核物质物态方程、原初黑洞等多个方面的基本物理现象与规律，有望解答广义相对论与粒子物理的标准模型所遗留下来的深层次问题，从而大大加深我们对自然界的理解。