宇宙碰撞可以在發(fā)生之前預(yù)測(cè)嗎？Credit: California Institute of Technology
（神秘的地球uux.cn）據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)（by Whitney Clavin, California Institute of Technology）：2017年8月17日，大約70架望遠(yuǎn)鏡集體將目光投向了發(fā)生在數(shù)百萬(wàn)光年之外的碰撞兩顆死星之間的激烈碰撞。望遠(yuǎn)鏡在彩虹般的前預(yù)波長(zhǎng)中觀察這一事件，從無(wú)線電波到可見光到最高能量的宇宙伽馬射線。當(dāng)這對(duì)超高密度中子星相互碰撞時(shí)，碰撞它們向外拋出碎片，前預(yù)這些碎片會(huì)發(fā)光幾天、宇宙幾周甚至幾個(gè)月。碰撞一些旁觀的前預(yù)望遠(yuǎn)鏡在灼熱的爆炸中發(fā)現(xiàn)了金、鉑和鈾，宇宙證實(shí)了我們宇宙中大多數(shù)重元素都是碰撞在這種類型的宇宙碰撞中形成的。
如果故事到此結(jié)束，前預(yù)這一宇宙事件本身就會(huì)引人注目，宇宙但那天的碰撞天文聚會(huì)上還有其他三個(gè)探測(cè)器——兩個(gè)屬于LIGO(激光干涉引力波天文臺(tái))，一個(gè)屬于歐洲的前預(yù)處女座。LIGO和處女座觀察到的不是光波，而是引力波，或者由大質(zhì)量加速物體產(chǎn)生的時(shí)空抖動(dòng)。隨著中子星螺旋在一起，它們?cè)诤喜⒉⒈l(fā)出光之前會(huì)產(chǎn)生引力波。正是Virgo室女座引力波網(wǎng)絡(luò)提醒了世界各地的幾十架望遠(yuǎn)鏡，上面的天空中正在發(fā)生驚人的事情。如果沒(méi)有LIGO和處女座，2017年8月17日將是天文學(xué)中典型的一天。
從那時(shí)起，Virgo室女座網(wǎng)絡(luò)只發(fā)現(xiàn)了另外一個(gè)中子星合并；在這種情況下，發(fā)生在2019年，基于光的望遠(yuǎn)鏡無(wú)法觀測(cè)到這一事件。(light處女座也探測(cè)到了幾十個(gè)二元黑洞合并，但在大多數(shù)情況下，這些都不會(huì)發(fā)光。)隨著Virgo處女座預(yù)定于今年5月回歸，天文學(xué)家們正興奮地為更多爆炸性的中子星合并做準(zhǔn)備。一些LIGO團(tuán)隊(duì)成員心中的一個(gè)緊迫問(wèn)題是:他們能更快地探測(cè)到這些事件嗎——甚至可能在死亡恒星碰撞之前？
為此，研究人員正在開發(fā)早期預(yù)警軟件，以在撞擊前幾秒鐘甚至整整一分鐘提醒天文學(xué)家中子星合并。
“這是一場(chǎng)與時(shí)間的賽跑，”加州理工學(xué)院博士后學(xué)者瑞安·麥咭說(shuō)，他正與佐治亞理工學(xué)院教授蘇拉比·薩克德夫共同領(lǐng)導(dǎo)預(yù)警軟件的開發(fā)。“我們錯(cuò)過(guò)了寶貴的時(shí)間來(lái)理解這些合并前后發(fā)生了什么，”他說(shuō)。
十一個(gè)小時(shí)后，源頭找到了
一旦LIGO探測(cè)到一個(gè)可能的中子星碰撞，地面和太空的望遠(yuǎn)鏡就開始追蹤并精確定位它的位置。由三個(gè)引力波探測(cè)器組成的Virgo處女座網(wǎng)絡(luò)有助于縮小煙火發(fā)生的大致位置，同時(shí)需要基于光學(xué)的望遠(yuǎn)鏡來(lái)識(shí)別中子星所在的確切星系。
對(duì)于8月17日的事件，即GW170817，大多數(shù)基于光的望遠(yuǎn)鏡直到9個(gè)小時(shí)后才能開始搜索引力波事件的來(lái)源。Virgo處女座團(tuán)隊(duì)在中子星碰撞40分鐘后向天文學(xué)界發(fā)出了第一個(gè)警報(bào)，并在事件發(fā)生4.5小時(shí)后繪制了第一張星圖，概述了事件的大致位置。
但是到那個(gè)時(shí)候，南部天空中感興趣的區(qū)域已經(jīng)下降到地平線以下，超出了能夠看到它的南方望遠(yuǎn)鏡的視野。天文學(xué)家將不得不焦急地等待，直到事件發(fā)生后九個(gè)小時(shí)才開始搜索天空。中子星碰撞后大約11個(gè)小時(shí)，幾臺(tái)地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡終于鎖定了電波的來(lái)源:一個(gè)名為NGC 4993的星系，距離我們大約1.3億光年。
為下次跑步做準(zhǔn)備
中子星如何相互撞擊并在宇宙中播種重元素的故事已經(jīng)過(guò)去了11個(gè)小時(shí)，天文學(xué)家們急切地等待著更多的中子星碰撞。對(duì)于Virgo室女座的即將到來(lái)的運(yùn)行，其中也將包括日本KAGRA的觀測(cè)，探測(cè)器已經(jīng)進(jìn)行了一系列升級(jí)，以使它們能夠更好地捕捉引力波事件，從而捕捉中子星合并。該團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)在下一次運(yùn)行中探測(cè)到4到10個(gè)中子星合并，并在計(jì)劃于2027年開始的當(dāng)前高級(jí)探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)的第五次觀測(cè)運(yùn)行中探測(cè)到多達(dá)100個(gè)。計(jì)劃在21世紀(jì)30年代使用更先進(jìn)的探測(cè)器。
下一次運(yùn)行將采用的一個(gè)新功能是早期預(yù)警警報(bào)系統(tǒng)。這個(gè)專門的軟件將補(bǔ)充到目前為止常規(guī)用于探測(cè)所有引力波事件的主要軟件。
主軟件也稱為搜索管道，通過(guò)將數(shù)據(jù)與已知信號(hào)或波形庫(kù)進(jìn)行匹配，尋找隱藏在嘈雜的LIGO數(shù)據(jù)中的微弱引力波信號(hào)，這些信號(hào)或波形代表不同類型的事件，如黑洞和中子星合并。如果發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了匹配，就會(huì)向天文學(xué)界發(fā)出警報(bào)。預(yù)警軟件以同樣的方式工作，但只使用波形的截?cái)喟姹荆员闼梢愿斓毓ぷ鳌?br>“探測(cè)器在觀測(cè)過(guò)程中不斷獲取新數(shù)據(jù)，我們將波形與數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。麥咭說(shuō):“如果我們使用截?cái)嗟牟ㄐ危覀兙筒槐氐鹊绞占俗銐蚨嗟臄?shù)據(jù)后再進(jìn)行比較。”。“權(quán)衡的結(jié)果是，信號(hào)需要足夠大，以便使用截?cái)嗟牟ㄐ芜M(jìn)行檢測(cè)。重要的是仍然沿著預(yù)警管道運(yùn)行主要管道，以拾取較弱的信號(hào)，并獲得最佳的最終定位。”麥咭、薩克德夫和他們的同事正在研究一條名為GSTLAL的預(yù)警管道；Virgo處女座的其他預(yù)警管道也在建設(shè)中。
在煙火之前
當(dāng)中子星像一對(duì)冰舞者一樣互相圍繞旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們的軌道越來(lái)越快，并發(fā)出頻率越來(lái)越高的引力波。中子星之間的最后舞蹈比黑洞之間的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，在LIGO最敏感的頻帶內(nèi)長(zhǎng)達(dá)幾分鐘，這給了LIGO和處女座更多的時(shí)間來(lái)捕捉恒星戲劇性結(jié)局的前奏。在GW170817的情況下，這對(duì)混合的中子星在Virgo處女座可探測(cè)到的頻率范圍內(nèi)停留了六分鐘，然后兩個(gè)天體最終合并。
LIGO預(yù)警軟件的截?cái)嗖ㄐ沃荚诓蹲竭@最后一支舞的片段；事實(shí)上，研究人員認(rèn)為該軟件最終會(huì)在碰撞前一分鐘捕捉到中子星合并。如果是這樣，這將給世界各地的望遠(yuǎn)鏡更多的時(shí)間來(lái)發(fā)現(xiàn)和研究爆炸。
“在下一次運(yùn)行中，我們可能能夠提前10秒捕捉到中子星合并，”Sachdev說(shuō)。“到第五次運(yùn)行時(shí)，我們相信我們可以捕捉到一個(gè)完整的一分鐘警告。”
對(duì)于天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，一分鐘是很長(zhǎng)的時(shí)間。加州理工學(xué)院天文學(xué)教授Gregg Hallinan是加州理工學(xué)院歐文斯谷射電天文臺(tái)的主任，他說(shuō)，中子星即將合并的早期預(yù)警對(duì)伽馬射線、X射線和射電望遠(yuǎn)鏡尤為重要，因?yàn)榕鲎部赡茉谝婚_始就在這些波長(zhǎng)上爆發(fā)。
哈利南說(shuō):“射電望遠(yuǎn)鏡陣列，如歐文斯谷射電天文臺(tái)(OVRO-LWA)的長(zhǎng)波長(zhǎng)陣列和加州理工學(xué)院未來(lái)的2000天線深度天氣陣列(DSA-2000)，可能能夠探測(cè)到理論上在中子星合并時(shí)發(fā)生的射電閃光，以及在合并前的最后一次檢查中的一些模型。”“這將告訴我們這些大規(guī)模毀滅性事件的直接環(huán)境。更重要的是，看到無(wú)線電閃光還可以幫助我們迅速確定合并的地點(diǎn)。”
加州理工學(xué)院的研究生Shreya Anand說(shuō)，早期對(duì)合并的光學(xué)和紫外線觀察可以揭示關(guān)于它們演化的新信息，例如元素是如何在碰撞中噴出的快速移動(dòng)物質(zhì)中形成的。
Anand在加州理工學(xué)院天文學(xué)教授Mansi Kasliwal(2007級(jí)碩士，2011級(jí)博士)的小組工作，她自己正忙于開發(fā)軟件，不是為了預(yù)警系統(tǒng)，而是一旦收到來(lái)自LIGO的警報(bào)，就搜索天空中的中子星合并和其他宇宙事件。Kasliwal的小組目前正在為Zwicky Transient Facility (ZTF)和即將到來(lái)的廣域紅外瞬態(tài)探測(cè)器(WINTER)開發(fā)軟件，這兩個(gè)探測(cè)儀器位于加州理工學(xué)院的帕洛馬天文臺(tái)。ZTF和溫特可以追蹤LIGO警報(bào)來(lái)發(fā)現(xiàn)和觀察中子星合并。Anand正在開發(fā)一種軟件來(lái)加速這種搜索。
“我們的算法計(jì)算出如何最好地覆蓋天空的不同區(qū)域，以及持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間，以確保找到目標(biāo)的最大機(jī)會(huì)，”她說(shuō)。“在合并的早期階段，我們錯(cuò)過(guò)了有趣的物理學(xué)。LIGO團(tuán)隊(duì)的預(yù)警軟件和我們的望遠(yuǎn)鏡搜索軟件將加快我們?cè)缙诎l(fā)現(xiàn)事件的機(jī)會(huì)。這將最終讓我們對(duì)正在發(fā)生的事情有一個(gè)更完整的了解。”
麥咭領(lǐng)導(dǎo)的預(yù)警研究發(fā)表在2021年的天體物理學(xué)雜志《快報(bào)》上。Sachdev領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)研究也發(fā)表在2020年的天體物理學(xué)雜志Letters上。