通过观察引力波以及寻找一种全新类型的引力波，我们可以解决宇宙中一些最深奥的谜团。
2016年，天文学家首次探测到了由100多年前爱因斯坦预言的引力波。翌年，对引力波探测做出重大贡献的三位物理学家被授予了诺贝尔物理学奖。在一些人眼里，这意味着尘埃落定。
但这与其说是结束，不如说是开始。引力波为天文学家提供了一种全新的探测手段。如果说传统的望远镜让天文学家“看”到宇宙，那么引力波则让天文学家“听”到宇宙。
迄今，我们已经探测到数十个引力波。它们不仅丰富了我们对宇宙中最奇特的天体(如黑洞和中子星)的了解，还向我们展示了恒星死亡的新细节。更重要的是，我们正接近于检测到一种全新类型的引力波，这种引力波可以帮助我们确定暗物质的真实身份。
探测引力波已是家常便饭
请想象一下，把一块鹅卵石扔进池塘，你会看到涟漪以同心圆的方式扩散开去。引力波就有点像这样，只不过激起引力波的不是鹅卵石，而是像黑洞这样的大天体，引力波也不是任何形式的物质的波动，而是时空本身的涟漪。
为了探测引力波，天文学家在美国建造了两个巨大的激光干涉仪引力波天文台(简称LIGO)。LIGO从中心一个点分别向几千米外的两面镜子发射两道精密的激光。两束激光所走的路径相互垂直，而且长度严格相等。这样，当它们经镜子反射返回中心点时，就会产生一个固定的干涉图案。一旦所走的路径有任何微小的差异，干涉图案就会移动。所以当引力波穿过地球时，由于空间不同方向受到持续的拉伸和压缩，两束激光走过的路径不再严格相等，这将导致干涉图案移动。
这样探测引力波其实也并不容易，因为引力波对激光几千米路径的改变幅度连一个原子的直径都不到。但是天文学家还是成功地捕捉到了这种微小的变化。现在，引力波探测器除了美国的LIGO，还有意大利的Virgo，日本的KAGRA以及德国的GEO600。
目前，引力波最大的用途是为我们了解黑洞提供了一个窗口。黑洞本来是很难研究的，因为它们既不能直接发光，也不能反射光。但它们会相互碰撞，产生引力波。
当天文学家第一次探听到黑洞碰撞的引力波信号时，着实兴奋了一阵，但是如今这对于他们已经是家常便饭。截至2021年11月，观察到的引力波总数已达到90个。随着引力波探测技术的成熟，一个新的时代正在来临，让我们可以去回答关于宇宙如何在最宏大的尺度上运作的问题。
弥合黑洞和中子星之间的质量差距
虽然黑洞是一种最难探测的天体，但比起其他天体，它们在宇宙历史上似乎留下了更多的痕迹。它们有不同的大小，在宇宙的演化过程中以不同的方式形成。譬如，有恒星量级的黑洞，它们是在大型恒星死亡时诞生的，其质量是太阳的几倍到几十倍。然后还有超大质量黑洞，其质量从几百万到几十亿个太阳质量不等。它们盘踞在星系的中心，被认为是由较小的黑洞通过碰撞合并而成的。
然而长期以来，我们对这两类黑洞是如何成长的以及彼此之间是什么关系充满了困惑。一个主要的难题是最小的黑洞和最大的中子星之间的质量差距。中子星是死亡恒星留下的残核，是宇宙中密度仅次于黑洞的天体(理论上，密度仅次于黑洞的应该是夸克星，但夸克星的存在还未得到证实)。中子星的密度是如此之大，一火柴盒大小的中子星物质，就重达数亿吨。人们认为，只要中子星的质量再大一点，就可以坍塌成黑洞，所以最轻的黑洞与最重的中子星应该有差不多的质量。
然而，实际看到的情况却不是这样。甚至在LIGO建成之前，我们在实验上就有方法来估计黑洞和中子星的质量了。用这些方法得到的结果是，最重的中子星不超过2倍的太阳质量，而最轻的黑洞则不轻于5倍的太阳质量，两者之间有大约3倍太阳质量的差距。换句话说，介于2倍太阳质量和5倍太阳质量之间的天体，不论黑洞还是中子星，都甚少见。这让天文学家怀疑，他们对于中子星或黑洞的理解是否有纰漏。
在LIGO探测到黑洞的头几年，这个“质量差距”仍然没得到弥合。但是，随着最近新的一批引力波数据的发布，这种情况已经改变。现在至少有两个事件让我们可以填补这个差距。其中一个事件是一个黑洞吞噬一个较小的天体(这个天体是另一个黑洞还是中子星，我们还不能确定)，这个较小的天体重约2.6倍的太阳质量，正好在质量差距之内。另一个事件是一个黑洞正在吞噬一颗2.1倍太阳质量的中子星。此外，天文学家用射电望远镜还发现了一颗2.19倍太阳质量的中子星。
这些探测结果告诉我们，观测上所谓的最大中子星和最小黑洞之间的“质量差距”可能只是一种假象，实际上并不存在。造成这一假象的原因在于，LIGO更擅长探测大质量的天体。譬如，它很擅长探测大于30倍太阳质量的黑洞，但要它探测2~5倍太阳质量的黑洞，却比较困难。所以，只要它没有技术上的局限性，能探测到介于2倍到5倍太阳质量之间的黑洞，这个质量差距就灰飞烟灭了。目前，LIGO正在升级，相信它在升级之后，就能胜任这一工作。
重新理解超新星
当涉及到最大的恒星量级黑洞时，最新的数据中也有惊喜。
目前发现的最大的恒星，其质量是太阳的200多倍。但是理论上，当质量如此之大的恒星死亡时，由于超新星爆炸的威力过于巨大，以至于任何残核(包括黑洞)都不会留下。
为什么会这样?主要是因为大质量恒星与较小质量恒星的超新星爆炸机制有所不同。
较小质量恒星到了晚年，一方面外层物质受引力作用，不断往中心收缩，另一方面中心由核聚变产生的高能伽马射线靠辐射压(即光压，光照射在恒星外层物质上产生的压力)抵抗着引力。但高能伽马射线不断减少(因为伽马射线不断地逃逸。此外，聚变的材料也在不断耗尽)，当辐射压抵抗不住引力时，恒星就坍塌了。这过程中释放出巨大的能量，导致超新星爆发，同时留下一个残核(白矮星、中子星或黑洞)。
大质量恒星到了晚年，其状况与较小质量恒星基本相似，稍有不同的是，其内部的温度和伽马射线能量都比后者高。在这种情况下，高能伽马射线不断地转化成正反电子对。这样一来，辐射压减小了，加剧了外层物质的收缩。收缩之后，内部温度进一步提高，这又促使更多的伽马射线转化为正反电子对，外层物质又进一步收缩……如此循环，导致失控，最终点燃了超新星。这类超新星比较小质量恒星的超新星威力更大，会在残核形成之前就把所有恒星物质在爆炸中抛撒一空，什么都不会留下。
因此理论预言，从超新星爆发中产生的黑洞，无论如何都不应该比45倍太阳质量更重。但LIGO探测到的黑洞中，就有超过60倍太阳质量的。如果这个黑洞不是通过合并成长起来的，那只能说，天文学家对于超新星的理解有误。
探测另一类型的引力波
利用引力波来研究超大质量黑洞的同时，我们还可以了解更多关于宇宙历史的信息。
今天，几乎每个大型星系的中心都坐着一个超大质量黑洞。考虑到大型星系往往都是由较小星系合并而来的，超大质量黑洞为了达到它们现在的规模，盘踞在较小星系中心的超大质量黑洞必定经历过相撞和合并。
这样的相撞会释放出引力波，但这类事件在我们有生之年十分罕见，而且所发射的引力波，其频率比我们迄今探测到的引力波频率低。LIGO式的引力波探测器除非建在太空，否则永远不会有足够的敏感度来探测这类黑洞碰撞。
但是还有另一种方法。即使在它们合并之前，环绕的超大质量黑洞也会发出微弱的引力波。单独来看，这些引力波都是微不足道的，但是多个这样的引力波合在一起，它们就会在宇宙空间形成一个持续的、微弱的“噪声”，被称为引力波背景。
毫无疑问，引力波背景比目前探测到的引力波信号还要微弱。但也不是完全不可探测。北美纳米赫兹引力波观测站(NANOGrav)就旨在探测这一信号。NANOGrav使用传统的射电望远镜来监测快速旋转的中子星(即脉冲星)。当脉冲星旋转时，向太空发出有规律的无线电波束，可以作为极稳定的时钟。十年来，NANOGrav一直在为天空中的几十颗脉冲星信号计时。脉冲星信号到达地球时的任何微小差异，都可能是引力波背景的涟漪造成的。
大约一年前，NANOGrav的研究人员公布了对45颗脉冲星跟踪观察近13年的数据分析。在其中一颗脉冲星的数据中，他们声称看到了可能表明引力波背景存在的迹象。
当然，即使这是一个真实的事件，也不可能反推出任何关于单个超大质量黑洞的信息。但是，天文学家可以在计算机中建立宇宙模型，对每个模型设置不同的超大质量黑洞群和不同的合并概率，然后看看什么样的模型会产生什么样的引力波背景信号。通过比较模型和观测数据，可以帮助我们推断出很多关于超大质量黑洞的信息。
原始黑洞——暗物质的候选者
最激动人心的前景是，如果计算机模型不能解释实验数据，这可能意味着我们将被迫需要在模型中引入另一种类型的黑洞来“平衡账目”。
在对大爆炸的一些解释中，在宇宙诞生的最初几秒钟，由于物质密度的涨落，有些区域的密度大到一定程度，在引力作用下就直接坍塌成了黑洞。由于涨落的特点是幅度越小，出现的概率越大，所以小质量的微型黑洞应该充斥宇宙。
现在我们还不能确定这些原始黑洞是否存在，或者它们今天是否仍然还存在。如果它们存在，将为宇宙学中的几个问题提供了一个优雅的解决方案。其中最吸引人的是，它们可能就是我们梦里寻他千百度的暗物质——一种维系星系，使其不致解体的神秘物质。理论家最近的工作表明，从引力波背景中我们应该能够判断得出原始黑洞是否存在以及它们的数量。
目前，一部分天文学家正致力于探测引力波背景。如果能探测到，那么正像首次探测到引力波那样，宇宙学研究将开启一个新的篇章。
把引力波探测器建到太空
在地球上探测引力波是一件相当棘手的事情。一个主要原因是，地面上的任何震动，大到远处的地震，小到实验室电梯的升降，都会对实验产生干扰。
这就是为什么欧洲航天局计划把引力波探测器放置到太空去的原因。这项任务被称为激光干涉仪空间天线(简称LISA)。它的工作原理与地面上的激光干涉仪引力波天文台相同。LISA计划从一艘飞船上向另外两艘飞船发射激光，每艘飞船彼此相距250万千米。当激光在这些飞船之间传播时，将记录下由经过的引力波引起的路径的微小变化。由于LISA的“臂”远比LIGO长，又避免了地面震动的干扰，所以它将远比LIGO灵敏。
欧空局在2015年发射了一个名为“LISA探路者”的示范任务，取得了成功。这说明LISA的设想是可行的。不过，LISA要到2037年才能发射升空。
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