宇宙碰撞可以在發生之前預測嗎？Credit: California Institute of Technology
（神秘的地球uux.cn）據美國物理學家組織網（by Whitney Clavin, California Institute of Technology）：2017年8月17日，大約70架望遠鏡集體將目光投向了發生在數百萬光年之外的碰撞兩顆死星之間的激烈碰撞。望遠鏡在彩虹般的前預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，前預這些碎片會發光幾天、宇宙幾周甚至幾個月。碰撞一些旁觀的前預望遠鏡在灼熱的爆炸中發現了金、鉑和鈾，宇宙證實了我們宇宙中大多數重元素都是碰撞在這種類型的宇宙碰撞中形成的。
如果故事到此結束，前預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，或者由大質量加速物體產生的時空抖動。隨著中子星螺旋在一起，它們在合并并爆發出光之前會產生引力波。正是Virgo室女座引力波網絡提醒了世界各地的幾十架望遠鏡，上面的天空中正在發生驚人的事情。如果沒有LIGO和處女座，2017年8月17日將是天文學中典型的一天。
從那時起，Virgo室女座網絡只發現了另外一個中子星合并；在這種情況下，發生在2019年，基于光的望遠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，但在大多數情況下，這些都不會發光。)隨著Virgo處女座預定于今年5月回歸，天文學家們正興奮地為更多爆炸性的中子星合并做準備。一些LIGO團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，研究人員正在開發早期預警軟件，以在撞擊前幾秒鐘甚至整整一分鐘提醒天文學家中子星合并。
“這是一場與時間的賽跑，”加州理工學院博士后學者瑞安·麥咭說，他正與佐治亞理工學院教授蘇拉比·薩克德夫共同領導預警軟件的開發。“我們錯過了寶貴的時間來理解這些合并前后發生了什么，”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處女座網絡有助于縮小煙火發生的大致位置，同時需要基于光學的望遠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，大多數基于光的望遠鏡直到9個小時后才能開始搜索引力波事件的來源。Virgo處女座團隊在中子星碰撞40分鐘后向天文學界發出了第一個警報，并在事件發生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域已經下降到地平線以下，超出了能夠看到它的南方望遠鏡的視野。天文學家將不得不焦急地等待，直到事件發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，幾臺地面光學望遠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過去了11個小時，天文學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，探測器已經進行了一系列升級，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。該團隊預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年開始的當前高級探測器網絡的第五次觀測運行中探測到多達100個。計劃在21世紀30年代使用更先進的探測器。
下一次運行將采用的一個新功能是早期預警警報系統。這個專門的軟件將補充到目前為止常規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，通過將數據與已知信號或波形庫進行匹配，尋找隱藏在嘈雜的LIGO數據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。如果發現并確認了匹配，就會向天文學界發出警報。預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據，我們將波形與數據進行比較。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據后再進行比較。”。“權衡的結果是，信號需要足夠大，以便使用截斷的波形進行檢測。重要的是仍然沿著預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的預警管道；Virgo處女座的其他預警管道也在建設中。
在煙火之前
當中子星像一對冰舞者一樣互相圍繞旋轉時，它們的軌道越來越快，并發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時間更長，在LIGO最敏感的頻帶內長達幾分鐘，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停留了六分鐘，然后兩個天體最終合并。
LIGO預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鏡更多的時間來發現和研究爆炸。
“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。”
對于天文學家來說，一分鐘是很長的時間。加州理工學院天文學教授Gregg Hallinan是加州理工學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警對伽馬射線、X射線和射電望遠鏡尤為重要，因為碰撞可能在一開始就在這些波長上爆發。
哈利南說:“射電望遠鏡陣列，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模毀滅性事件的直接環境。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。”
加州理工學院的研究生Shreya Anand說，早期對合并的光學和紫外線觀察可以揭示關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中形成的。
Anand在加州理工學院天文學教授Mansi Kasliwal(2007級碩士，2011級博士)的小組工作，她自己正忙于開發軟件，不是為了預警系統，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探測器(WINTER)開發軟件，這兩個探測儀器位于加州理工學院的帕洛馬天文臺。ZTF和溫特可以追蹤LIGO警報來發現和觀察中子星合并。Anand正在開發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域，以及持續多長時間，以確保找到目標的最大機會，”她說。“在合并的早期階段，我們錯過了有趣的物理學。LIGO團隊的預警軟件和我們的望遠鏡搜索軟件將加快我們早期發現事件的機會。這將最終讓我們對正在發生的事情有一個更完整的了解。”
麥咭領導的預警研究發表在2021年的天體物理學雜志《快報》上。Sachdev領導的這項研究也發表在2020年的天體物理學雜志Letters上。