宇宙碰撞可以在發(fā)生之前預(yù)測嗎？Credit: California Institute of Technology
（神秘的地球uux.cn）據(jù)美國物理學(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)北京模特包夜（微信181-8279-1445）提供一二線城市可以真實可靠快速安排30分鐘到達(dá)波長中觀察這一事件，從無線電波到可見光到最高能量的宇宙伽馬射線。當(dāng)這對超高密度中子星相互碰撞時，碰撞它們向外拋出碎片，前預(yù)這些碎片會發(fā)光幾天、宇宙幾周甚至幾個月。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引人注目，宇宙但那天的碰撞天文聚會上還有其他三個探測器——兩個屬于LIGO(激光干涉引力波天文臺)，一個屬于歐洲的前預(yù)處女座。LIGO和處女座觀察到的不是光波，而是北京模特包夜（微信181-8279-1445）提供一二線城市可以真實可靠快速安排30分鐘到達(dá)引力波，或者由大質(zhì)量加速物體產(chǎn)生的時空抖動。隨著中子星螺旋在一起，它們在合并并爆發(fā)出光之前會產(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。
從那時起，Virgo室女座網(wǎng)絡(luò)只發(fā)現(xiàn)了另外一個中子星合并；在這種情況下，發(fā)生在2019年，基于光的望遠(yuǎn)鏡無法觀測到這一事件。(light處女座也探測到了幾十個二元黑洞合并，但在大多數(shù)情況下，這些都不會發(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)隊成員心中的一個緊迫問題是:他們能更快地探測到這些事件嗎——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。
“這是一場與時間的賽跑，”加州理工學(xué)院博士后學(xué)者瑞安·麥咭說，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)。“我們錯過了寶貴的時間來理解這些合并前后發(fā)生了什么，”他說。
十一個小時后，源頭找到了
一旦LIGO探測到一個可能的中子星碰撞，地面和太空的望遠(yuǎn)鏡就開始追蹤并精確定位它的位置。由三個引力波探測器組成的Virgo處女座網(wǎng)絡(luò)有助于縮小煙火發(fā)生的大致位置，同時需要基于光學(xué)的望遠(yuǎn)鏡來識別中子星所在的確切星系。
對于8月17日的事件，即GW170817，大多數(shù)基于光的望遠(yuǎn)鏡直到9個小時后才能開始搜索引力波事件的來源。Virgo處女座團(tuán)隊在中子星碰撞40分鐘后向天文學(xué)界發(fā)出了第一個警報，并在事件發(fā)生4.5小時后繪制了第一張星圖，概述了事件的大致位置。
但是到那個時候，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)生后九個小時才開始搜索天空。中子星碰撞后大約11個小時，幾臺地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡終于鎖定了電波的來源:一個名為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)過去了11個小時，天文學(xué)家們急切地等待著更多的中子星碰撞。對于Virgo室女座的即將到來的運行，其中也將包括日本KAGRA的觀測，探測器已經(jīng)進(jìn)行了一系列升級，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)隊預(yù)計在下一次運行中探測到4到10個中子星合并，并在計劃于2027年開始的當(dāng)前高級探測器網(wǎng)絡(luò)的第五次觀測運行中探測到多達(dá)100個。計劃在21世紀(jì)30年代使用更先進(jìn)的探測器。
下一次運行將采用的一個新功能是早期預(yù)警警報系統(tǒng)。這個專門的軟件將補(bǔ)充到目前為止常規(guī)用于探測所有引力波事件的主要軟件。
主軟件也稱為搜索管道，通過將數(shù)據(jù)與已知信號或波形庫進(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，這些信號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，就會向天文學(xué)界發(fā)出警報。預(yù)警軟件以同樣的方式工作，但只使用波形的截斷版本，以便它可以更快地工作。
“探測器在觀測過程中不斷獲取新數(shù)據(jù)，我們將波形與數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。麥咭說:“如果我們使用截斷的波形，我們就不必等到收集了足夠多的數(shù)據(jù)后再進(jìn)行比較。”。“權(quán)衡的結(jié)果是，信號需要足夠大，以便使用截斷的波形進(jìn)行檢測。重要的是仍然沿著預(yù)警管道運行主要管道，以拾取較弱的信號，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)中子星像一對冰舞者一樣互相圍繞旋轉(zhuǎn)時，它們的軌道越來越快，并發(fā)出頻率越來越高的引力波。中子星之間的最后舞蹈比黑洞之間的持續(xù)時間更長，在LIGO最敏感的頻帶內(nèi)長達(dá)幾分鐘，這給了LIGO和處女座更多的時間來捕捉恒星戲劇性結(jié)局的前奏。在GW170817的情況下，這對混合的中子星在Virgo處女座可探測到的頻率范圍內(nèi)停留了六分鐘，然后兩個天體最終合并。
LIGO預(yù)警軟件的截斷波形旨在捕捉這最后一支舞的片段；事實上，研究人員認(rèn)為該軟件最終會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)鏡更多的時間來發(fā)現(xiàn)和研究爆炸。
“在下一次運行中，我們可能能夠提前10秒捕捉到中子星合并，”Sachdev說。“到第五次運行時，我們相信我們可以捕捉到一個完整的一分鐘警告。”
對于天文學(xué)家來說，一分鐘是很長的時間。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的主任，他說，中子星即將合并的早期預(yù)警對伽馬射線、X射線和射電望遠(yuǎn)鏡尤為重要，因為碰撞可能在一開始就在這些波長上爆發(fā)。
哈利南說:“射電望遠(yuǎn)鏡陣列，如歐文斯谷射電天文臺(OVRO-LWA)的長波長陣列和加州理工學(xué)院未來的2000天線深度天氣陣列(DSA-2000)，可能能夠探測到理論上在中子星合并時發(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，看到無線電閃光還可以幫助我們迅速確定合并的地點。”
加州理工學(xué)院的研究生Shreya Anand說，早期對合并的光學(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級碩士，2011級博士)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)，而是一旦收到來自LIGO的警報，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)和即將到來的廣域紅外瞬態(tài)探測器(WINTER)開發(fā)軟件，這兩個探測儀器位于加州理工學(xué)院的帕洛馬天文臺。ZTF和溫特可以追蹤LIGO警報來發(fā)現(xiàn)和觀察中子星合并。Anand正在開發(fā)一種軟件來加速這種搜索。
“我們的算法計算出如何最好地覆蓋天空的不同區(qū)域，以及持續(xù)多長時間，以確保找到目標(biāo)的最大機(jī)會，”她說。“在合并的早期階段，我們錯過了有趣的物理學(xué)。LIGO團(tuán)隊的預(yù)警軟件和我們的望遠(yuǎn)鏡搜索軟件將加快我們早期發(fā)現(xiàn)事件的機(jī)會。這將最終讓我們對正在發(fā)生的事情有一個更完整的了解。”
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》上。Sachdev領(lǐng)導(dǎo)的這項研究也發(fā)表在2020年的天體物理學(xué)雜志Letters上。

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