宇宙碰撞可以在发生之前预测吗？

宇宙碰撞可以在发生之前预测吗？Credit: California Institute of Technology
（神秘的地球uux.cn）据美国物理学家组织网（by Whitney Clavin, California Institute of Technology）：2017年8月17日，大约70架望远镜集体将目光投向了发生在数百万光年之外的碰撞两颗死星之间的激烈碰撞。望远镜在彩虹般的前预波长中观察这一事件，从无线电波到可见光到最高能量的宇宙伽马射线。当这对超高密度中子星相互碰撞时，碰撞它们向外抛出碎片，前预这些碎片会发光几天、宇宙几周甚至几个月。碰撞一些旁观的前预望远镜在灼热的爆炸中发现了金、铂和铀，宇宙证实了我们宇宙中大多数重元素都是碰撞在这种类型的宇宙碰撞中形成的。
如果故事到此结束，前预这一宇宙事件本身就会引人注目，宇宙但那天的碰撞天文聚会上还有其他三个探测器——两个属于LIGO(激光干涉引力波天文台)，一个属于欧洲的前预处女座。LIGO和处女座观察到的不是光波，而是引力波，或者由大质量加速物体产生的时空抖动。随着中子星螺旋在一起，它们在合并并爆发出光之前会产生引力波。正是Virgo室女座引力波网络提醒了世界各地的几十架望远镜，上面的天空中正在发生惊人的事情。如果没有LIGO和处女座，2017年8月17日将是天文学中典型的一天。
从那时起，Virgo室女座网络只发现了另外一个中子星合并；在这种情况下，发生在2019年，基于光的望远镜无法观测到这一事件。(light处女座也探测到了几十个二元黑洞合并，但在大多数情况下，这些都不会发光。)随着Virgo处女座预定于今年5月回归，天文学家们正兴奋地为更多爆炸性的中子星合并做准备。一些LIGO团队成员心中的一个紧迫问题是:他们能更快地探测到这些事件吗——甚至可能在死亡恒星碰撞之前？
为此，研究人员正在开发早期预警软件，以在撞击前几秒钟甚至整整一分钟提醒天文学家中子星合并。
“这是一场与时间的赛跑，”加州理工学院博士后学者瑞安·麦咭说，他正与佐治亚理工学院教授苏拉比·萨克德夫共同领导预警软件的开发。“我们错过了宝贵的时间来理解这些合并前后发生了什么，”他说。
十一个小时后，源头找到了
一旦LIGO探测到一个可能的中子星碰撞，地面和太空的望远镜就开始追踪并精确定位它的位置。由三个引力波探测器组成的Virgo处女座网络有助于缩小烟火发生的大致位置，同时需要基于光学的望远镜来识别中子星所在的确切星系。
对于8月17日的事件，即GW170817，大多数基于光的望远镜直到9个小时后才能开始搜索引力波事件的来源。Virgo处女座团队在中子星碰撞40分钟后向天文学界发出了第一个警报，并在事件发生4.5小时后绘制了第一张星图，概述了事件的大致位置。
但是到那个时候，南部天空中感兴趣的区域已经下降到地平线以下，超出了能够看到它的南方望远镜的视野。天文学家将不得不焦急地等待，直到事件发生后九个小时才开始搜索天空。中子星碰撞后大约11个小时，几台地面光学望远镜终于锁定了电波的来源:一个名为NGC 4993的星系，距离我们大约1.3亿光年。
为下次跑步做准备
中子星如何相互撞击并在宇宙中播种重元素的故事已经过去了11个小时，天文学家们急切地等待着更多的中子星碰撞。对于Virgo室女座的即将到来的运行，其中也将包括日本KAGRA的观测，探测器已经进行了一系列升级，以使它们能够更好地捕捉引力波事件，从而捕捉中子星合并。该团队预计在下一次运行中探测到4到10个中子星合并，并在计划于2027年开始的当前高级探测器网络的第五次观测运行中探测到多达100个。计划在21世纪30年代使用更先进的探测器。
下一次运行将采用的一个新功能是早期预警警报系统。这个专门的软件将补充到目前为止常规用于探测所有引力波事件的主要软件。
主软件也称为搜索管道，通过将数据与已知信号或波形库进行匹配，寻找隐藏在嘈杂的LIGO数据中的微弱引力波信号，这些信号或波形代表不同类型的事件，如黑洞和中子星合并。如果发现并确认了匹配，就会向天文学界发出警报。预警软件以同样的方式工作，但只使用波形的截断版本，以便它可以更快地工作。
“探测器在观测过程中不断获取新数据，我们将波形与数据进行比较。麦咭说:“如果我们使用截断的波形，我们就不必等到收集了足够多的数据后再进行比较。”。“权衡的结果是，信号需要足够大，以便使用截断的波形进行检测。重要的是仍然沿着预警管道运行主要管道，以拾取较弱的信号，并获得最佳的最终定位。”麦咭、萨克德夫和他们的同事正在研究一条名为GSTLAL的预警管道；Virgo处女座的其他预警管道也在建设中。
在烟火之前
当中子星像一对冰舞者一样互相围绕旋转时，它们的轨道越来越快，并发出频率越来越高的引力波。中子星之间的最后舞蹈比黑洞之间的持续时间更长，在LIGO最敏感的频带内长达几分钟，这给了LIGO和处女座更多的时间来捕捉恒星戏剧性结局的前奏。在GW170817的情况下，这对混合的中子星在Virgo处女座可探测到的频率范围内停留了六分钟，然后两个天体最终合并。
LIGO预警软件的截断波形旨在捕捉这最后一支舞的片段；事实上，研究人员认为该软件最终会在碰撞前一分钟捕捉到中子星合并。如果是这样，这将给世界各地的望远镜更多的时间来发现和研究爆炸。
“在下一次运行中，我们可能能够提前10秒捕捉到中子星合并，”Sachdev说。“到第五次运行时，我们相信我们可以捕捉到一个完整的一分钟警告。”
对于天文学家来说，一分钟是很长的时间。加州理工学院天文学教授Gregg Hallinan是加州理工学院欧文斯谷射电天文台的主任，他说，中子星即将合并的早期预警对伽马射线、X射线和射电望远镜尤为重要，因为碰撞可能在一开始就在这些波长上爆发。
哈利南说:“射电望远镜阵列，如欧文斯谷射电天文台(OVRO-LWA)的长波长阵列和加州理工学院未来的2000天线深度天气阵列(DSA-2000)，可能能够探测到理论上在中子星合并时发生的射电闪光，以及在合并前的最后一次检查中的一些模型。”“这将告诉我们这些大规模毁灭性事件的直接环境。更重要的是，看到无线电闪光还可以帮助我们迅速确定合并的地点。”
加州理工学院的研究生Shreya Anand说，早期对合并的光学和紫外线观察可以揭示关于它们演化的新信息，例如元素是如何在碰撞中喷出的快速移动物质中形成的。
Anand在加州理工学院天文学教授Mansi Kasliwal(2007级硕士，2011级博士)的小组工作，她自己正忙于开发软件，不是为了预警系统，而是一旦收到来自LIGO的警报，就搜索天空中的中子星合并和其他宇宙事件。Kasliwal的小组目前正在为Zwicky Transient Facility (ZTF)和即将到来的广域红外瞬态探测器(WINTER)开发软件，这两个探测仪器位于加州理工学院的帕洛马天文台。ZTF和温特可以追踪LIGO警报来发现和观察中子星合并。Anand正在开发一种软件来加速这种搜索。
“我们的算法计算出如何最好地覆盖天空的不同区域，以及持续多长时间，以确保找到目标的最大机会，”她说。“在合并的早期阶段，我们错过了有趣的物理学。LIGO团队的预警软件和我们的望远镜搜索软件将加快我们早期发现事件的机会。这将最终让我们对正在发生的事情有一个更完整的了解。”
麦咭领导的预警研究发表在2021年的天体物理学杂志《快报》上。Sachdev领导的这项研究也发表在2020年的天体物理学杂志Letters上。