自2015年首次探测到引力波以来，激光干涉引力波天文台（LIGO）及其全球合作伙伴已将已知的黑洞合并事件从约90例增加至超过300例，极大地推动了天文学发展。通过持续的技术升级，科学家们不仅确认了黑洞和中子星合并的多样性，还揭示了黑洞质量分布中存在的特定峰值和“质量亏损区”，以及黑洞自旋与轨道之间的有趣关联。然而，这一新兴领域正面临严峻的资金危机，美国国家科学基金会计划大幅削减预算，甚至可能关闭一处LIGO设施，这威胁到引力波天文学的未来。
从理论到现实：引力波的诞生
爱因斯坦的广义相对论预测，当大质量物体在时空中加速运动时，会产生能量涟漪，即引力波。这就像带电粒子加速会产生电磁波（光）一样。
在变化的引力场中运动的大质量物体会以引力波的形式辐射能量。这些波以光速传播，并导致它们经过的空间在相互垂直的方向上交替地拉伸和压缩。
长期以来，这一预测都未得到直接证实。直到2015年9月14日，位于美国的两个LIGO探测器同时捕捉到了一次信号，它来自于两个遥远黑洞的合并。这一事件标志着引力波天文学这个全新领域的诞生。
LIGO如何工作？
LIGO的原理是利用激光干涉仪。它将一束激光分成两束，分别射入两条相互垂直的、长达四公里的真空管道中。激光在管道末端的镜子之间来回反射，最后重新汇合。
- 无引力波时： 两束激光的光程相同，汇合后产生的干涉图样保持不变。
- 有引力波时： 引力波会使一条管道被拉伸，另一条被压缩。这导致光程发生微小变化，从而改变干涉图样。
通过分析这种图样变化，科学家就能探测到引力波的存在。随着技术不断升级，探测器的灵敏度持续提高，使其能够探测到更遥远、更微弱的宇宙事件。每一次灵敏度翻倍，可探测的宇宙体积就增加八倍。
爆炸式增长的发现
在LIGO和欧洲的Virgo、日本的KAGRA等探测器的共同努力下，引力波事件的发现数量呈指数级增长。到2020年，已确认约90起事件。而截至2024年初，这一数字已超过200起，使已知的黑洞合并总数增加了两倍多。
这些发现带来了深刻的洞见：
黑洞质量分布： 科学家发现黑洞的质量并非均匀分布。在 10个太阳质量 和 35个太阳质量 附近存在明显的峰值。之前理论预测的5到10个太阳质量之间的“质量鸿沟”实际上是一个“质量亏损区”，即该范围内的黑洞数量较少，但并非完全没有。
黑洞的自旋之谜： 黑洞在合并时不仅有轨道运动，自身也有自旋。研究发现：
- 对于不包含30-40倍太阳质量黑洞的系统，黑洞的自旋方向与其轨道运动方向高度一致（约87%）。这符合由双星系统演化而来的模型。
- 而对于包含一个30-40倍太阳质量黑洞的系统，自旋方向与轨道方向的一致性显著降低（约65%）。这可能暗示这些大质量黑洞本身就是由更早的黑洞合并形成的。
“在短短几年内，我们通过引力波发现的恒星级黑洞数量，已经超过了所有其他探测方法的总和。”
新兴领域的生存危机
就在引力波天文学取得巨大成功之际，它却面临着被扼杀的风险。美国国家科学基金会（NSF）的2026财年预算草案提议大幅削减经费，并明确指示关闭两处LIGO主要设施中的一处。
这一举动被天体物理学家们形容为“杀死一个新生儿”或“试图用单翼驾驶飞机”，是毫无道理且非理性的。关闭任何一个探测器都将严重削弱全球引力波探测网络的定位能力和数据验证能力。
如果这个新生的科学领域在起步阶段就被放弃，人类在这一前沿的探索进程可能会倒退数十年，甚至一代人的时间。
不可磨灭的成就
尽管未来充满不确定性，引力波天文学在过去十年取得的成就依然辉煌。我们从“认为引力波存在但从未见过”，发展到能够精确测量数百次宇宙深处的剧烈合并事件，并借此描绘出宇宙中黑洞的种群画像。
宇宙中充满了黑洞，而我们第一次有了基于直接数据的、关于它们数量和质量分布的估计。这一切都归功于引力波天文学这一全新的科学工具，它的潜力远未耗尽。