Việc đo được trực tiếp sóng hấp dẫn đã mang đến sự mở đầu cho kỷ nguyên mới của thiên văn học sóng hấp dẫn. Trước khi có phát hiện này, các nhà thiên văn vật lý và vũ trụ học có thể thực hiện các quan sát dựa trên bức xạ điện từ (bao gồm ánh sáng khả kiến, tia X, vi ba, sóng vô tuyến, và tia gamma), và các thực thể hạt vi mô (như tia vũ trụ, gió sao, neutrino...). Các miền phổ này có những giới hạn nhất định - không phải vật thể nào cũng phát ra ánh sáng và các bức xạ khác, và những bức xạ này có thể bị che khuất và ẩn giấu đằng sau những vật thể khác. Các vật thể như thiên hà và tinh vân cũng hấp thụ, tái phát lại, hoặc làm thay đổi ánh sáng phát ra từ chúng hoặc từ các vật thể ở đằng sau, và sao đặc hoặc sao ngoại lai có thể chứa những loại vật chất mà không phát ra ánh sáng và sóng vô tuyến, và do vậy có ít chứng cứ về sự có mặt của chúng so với thông qua tương tác hấp dẫn của chúng.[80][81]

Sự mong đợi phát hiện các sự kiện sáp nhập trong tương lai

Ngày 15 tháng 6 năm 2016, nhóm Hợp tác khoa học LIGO và nhóm Virgo thông báo đã đo được tín hiệu sóng hấp dẫn lần thứ hai, tại hai trạm của LIGO vào ngày 26 tháng 12 năm 2015, tín hiệu được đặt mã là GW151226. Sóng hấp dẫn này phát ra từ hệ hai hố đen khối lượng lần lượt bằng xấp xỉ 14 và 8 lần khối lượng Mặt Trời, với khoảng cách đến nguồn xấp xỉ 1,4 tỷ năm ánh sáng.[82]

Nhóm LIGO tiên đoán có thể phát hiện được nhiều hơn 5 sự kiện cặp lỗ đen sáp nhập như sự kiện GW150914 trong lần quan sát tiếp theo, và ước tính có 40 vụ hợp nhất sao đôi mỗi đôi, thêm một số chưa biết về các nguồn sóng hấp dẫn ngoại lai nữa, mà nguồn gốc của chúng chưa được hiểu rõ từ các lý thuyết hiện tại.[8]

Các kế hoạch nâng cấp thiết bị đo được hy vọng làm tăng gấp đôi tỷ số tín hiệu trên nhiễu, mở rộng thể tích không gian làm số lượng phát hiện các sự kiện như GW150914 có thể tăng lên một chục lần. Thêm vào đó, các trạm Advanced Virgo, KAGRA, một trạm LIGO trong kế hoạch xây ở Ấn Độ và một vài đề xuất ở Trung Quốc sẽ mở rộng mạng lưới đài quan sát và tăng đáng kể khả năng xác định được vị trí cũng như ước tính các tham số của nguồn phát.[1]

Ăngten Không gian Giao thoa kế laser (LISA) là một phi vụ đài quan sát không gian đã được đề xuất để thu được sóng hấp dẫn. Với độ nhạy thiết kế của LISA, các vụ sáp nhập hố đen như GW150914 có thể sẽ được phát hiện trước 1000 năm trước khi chúng va chạm hợp nhất, đem đến hiểu biết về một lớp những nguồn trước đó chưa biết tới nếu chúng nằm trong phạm vi khoảng 10 megaparsec.[18] LISA Pathfinder, một nhiệm vụ phát triển công nghệ của LISA, đã được phóng lên tháng 12 năm 2015 và đi vào giai đoạn thử nghiệm khoa học từ ngày 1 tháng 3 năm 2016.[53]

Hiểu biết về tiến hóa sao và thiên văn vật lý

Khối lượng của hai hố đen trước khi sáp nhập cung cấp thông tin về quá trình tiến hóa sao. Các hố đen của GW150914 có khối lượng lớn hơn các hố đen khối lượng sao được phát hiện trước đó thông qua các quan sát hệ đôi phát ra tia X. Kết quả này cho thấy gió sao từ các ngôi sao tổ tiên phải tương đối yếu, và do đó độ kim loại (tỷ lệ khối lượng của các nguyên tố hóa học nặng hơn hiđrô và heli) phải nhỏ hơn một nửa giá trị so với của Mặt Trời.[18]

Vì các cặp lỗ đen trước khi hợp nhất xuất hiện trong một hệ sao đôi và kích thước của hệ là đủ nhỏ để cho phép quá trình hợp nhất xảy ra trong thời gian tuổi của Vũ trụ, vì vậy sự kiện này ràng buộc kịch bản tiến hóa sao đôi hoặc kịch bản động lực sao phụ thuộc vào cách cặp lỗ đen đã được hình thành như thế nào. Nhiều lỗ đen phải nhận được cú hích (black hole kicks, vận tốc của lỗ đen thu được khi nó hình thành trong sự kiện vụ nổ siêu tân tinh suy sụp lõi), hoặc lỗ đen hình thành trong một hệ sao đôi sẽ bị đẩy văng ra khiến cho sự kiện tương tự như GW150914 khó có thể xảy ra.[18]

Việc phát hiện ra sóng hấp dẫn từ vụ sáp nhập của hai hố đen đã làm tăng giới hạn dưới ước lượng về tỷ lệ xảy ra các sự kiện như thế, và loại trừ một số mô hình lý thuyết dự đoán tỷ lệ rất thấp nhỏ hơn 1 Gpc−3yr−1 (một sự kiện trong một gigaparsec khối trong một năm).[1][18] Kết quả phân tích từ các nghiên cứu cho số lượng các sự kiện như GW150914 xảy ra xấp xỉ từ 140 Gpc−3yr−1 đến &0000000000000017.00000017+39
−13 Gpc−3yr−1.[83]

Tác động lên nghiên cứu vũ trụ học trong tương lai

Phép đo về dạng sóng và biên độ của sóng hấp dẫn từ sự kiện hố đen sáp nhập giúp cho việc xác định chính xác khoảng cách đến nó. Sự tích lũy dữ liệu từ các vụ va chạm hố đen trên khoảng cách Vũ trụ có thể mang lại những mô hình chính xác hơn về lịch sử giãn nở của Vũ trụ và bản chất của năng lượng tối ảnh hưởng đến nó.[84][85]

Vũ trụ giai đoạn kỷ nguyên photon như một màn sương mờ đục do lúc này vật chất chủ yếu là các ion và photon bị tán xạ mạnh bởi các electron tự do.[86] Tuy nhiên, sự đục này không ảnh hưởng tới sóng hấp dẫn từ thời điểm đó (nếu trong tương lai các nhà vật lý và kỹ sư có thể thăm dò được), cho phép có một cửa sổ để quan sát vũ trụ trước thời điểm sớm nhất mà hiện nay các nhà thiên văn có thể quan sát được nhờ những kính thiên văn mạnh nhất. Một ngày nào đó, thiên văn sóng hấp dẫn sẽ có thể quan sát trực tiếp lịch sử sơ khai của Vũ trụ trước giai đoạn tái kết hợp, mà các sóng vô tuyến và các bước sóng điện từ khác không thể thâm nhập được.[1][17][18][19][20]

Kiểm nghiệm thuyết tương đối rộng

Các tính chất cơ bản, khối lượng và spin, của hố đen sau va chạm có giá trị phù hợp với dự đoán của thuyết tương đối rộng. Đây là kiểm chứng đầu tiên của thuyết tương đối tổng quát trong vùng trường hấp dẫn mạnh.[1][17] Các nhà vật lý đã không tìm thấy chứng cứ chống lại thuyết tương đối rộng từ sự kiện này.[17]

Một số cơ hội để kiểm nghiệm các tính chất phức tạp khác của thuyết tương đối đã bị giới hạn trong lần đo lường tín hiệu này, như là các đuôi tạo bởi tương tác giữa sóng hấp dẫn với phông nền không thời gian cong. Mặc dù tương đối mạnh, nó vẫn nhỏ hơn so với hệ hai sao xung. Các tín hiệu mạnh hơn trong tương lai, cùng với sự bổ sung thêm các máy dò nhạy hơn, có thể dùng để khám phá đặc tính tương tác phức tạp của sóng hấp dẫn cũng như nâng giới hạn về sự sai khác trong dự đoán của thuyết tương đối tổng quát.[17]

Tốc độ sóng hấp dẫn và giới hạn khối lượng graviton

Theo thuyết tương đối rộng tốc độ sóng hấp dẫn (vg) bằng tốc độ ánh sáng (c). Bất kỳ sự sai khác nào từ mối liên hệ này có thể được tham số hóa theo số hạng khối lượng của hạt trường giả thuyết graviton. Hạt graviton là một hạt sơ cấp đóng vai trò hạt tải lực đối với lý thuyết lượng tử về hấp dẫn. Nếu nó không có khối lượng, như đã được suy luận từ sự kiện này, thì lực hấp dẫn có phạm vi tác động ra vô hạn. (Bởi vì nếu boson chuẩn càng nặng hơn, thì phạm vi tác động của lực tương ứng sẽ ngắn hơn; như vô hạn đối với ánh sáng bởi vì photon không có khối lượng, phạm vi ảnh hưởng xa vô cùng của hấp dẫn hàm ý rằng hạt tải lực đi kèm phải là phi khối lượng.) Nếu graviton có khối lượng khác 0, sóng hấp dẫn sẽ lan truyền với tốc độ nhỏ hơn tốc độ ánh sáng, với các tần số thấp hơn (ƒ) nó sẽ lan truyền chậm hơn so với các tần số cao hơn, dẫn tới sự phân tán của sóng từ vu va chạm hợp nhất.[17] Sự phân tán như thế đã không thấy xuất hiện ở sự kiện GW150914.[17][28] Quan trắc từ sự kiện này cho phép suy ra giới hạn trên của khối lượng graviton không lớn hơn 2,1 x 10−58 kg, bằng 1,2 x 10−22 eV/c2 hay tương ứng với bước sóng Compton (λg) lớn hơn 1013 km, gần 1 năm ánh sáng.[1][17] Sử dụng tần số thấp nhất đo được 35 Hz, sẽ cho giới hạn dưới của vg sao cho giới hạn trên của 1-vg /c xấp xỉ ~ 4 x 10−19.[Ct 7]