LIGO 研究人員正在開發(fā)預(yù)警軟件以更快地捕獲中子星合并

2017 年 8 月 17 日，大約 70 臺望遠(yuǎn)鏡共同將目光投向了發(fā)生在數(shù)百萬光年之外的兩顆死星之間的激烈碰撞。從無線電波到可見光再到能量的伽馬射線，望遠(yuǎn)鏡觀察到這一事件在彩虹般的波長中展開。當(dāng)這對超高密度中子星相互碰撞時(shí)，它們向外拋出碎片，這些碎片會(huì)發(fā)光數(shù)天、數(shù)周和數(shù)月。一些旁觀的望遠(yuǎn)鏡在灼熱的爆炸中發(fā)現(xiàn)了金、鉑和鈾，證實(shí)了我們宇宙中大多數(shù)重元素都是在這種類型的宇宙碰撞中形成的。

如果故事就這樣結(jié)束了，這個(gè)宇宙事件本身就很了不起，但是那天還有另外三個(gè)探測器用于天文收集——兩個(gè)屬于科學(xué)基金會(huì)資助的 LIGO（激光干涉儀引力波天文臺）和一個(gè)屬于歐洲的處女座。LIGO 和 Virgo 觀察的不是光波，而是引力波，或由大質(zhì)量加速物體產(chǎn)生的空間和時(shí)間顫動(dòng)。當(dāng)中子星一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們會(huì)在合并并與光一起爆炸之前產(chǎn)生引力波。正是 LIGO-Virgo 引力波網(wǎng)絡(luò)向世界各地的數(shù)十臺望遠(yuǎn)鏡發(fā)出警報(bào)上空發(fā)生了驚人的事情。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。

從那時(shí)起，LIGO-Virgo 網(wǎng)絡(luò)只檢測到另一顆中子星合并；在 2019 年發(fā)生的那種情況下，基于光的望遠(yuǎn)鏡無法觀測到該事件。（LIGO-Virgo 還檢測到數(shù)十個(gè)雙黑洞合并，但在大多數(shù)情況下預(yù)計(jì)不會(huì)產(chǎn)生光。）隨著 LIGO-Virgo 計(jì)劃于今年 5 月返回，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)緊迫問題是：他們能否更快地檢測到這些事件——甚至可能在死星碰撞之前？

為此，研究人員正在開發(fā)預(yù)警軟件，以在撞擊發(fā)生前幾秒甚至一整分鐘提醒天文學(xué)家注意中子星合并。

“這是一場與時(shí)間的賽跑，”加州理工學(xué)院博士后學(xué)者 Ryan Magee 說，他與佐治亞理工學(xué)院教授 Surabhi Sachdev（MS '17，PhD '19）共同領(lǐng)導(dǎo)預(yù)警軟件的開發(fā)。“我們正在錯(cuò)過寶貴的時(shí)間來了解這些合并之前和之后發(fā)生的事情，”他說。

十一小時(shí)后，源頭被發(fā)現(xiàn)

一旦 LIGO 檢測到可能的中子星碰撞，地面和太空中的望遠(yuǎn)鏡就會(huì)開始跟進(jìn)并確定其位置。LIGO-Virgo 網(wǎng)絡(luò)由三個(gè)引力波探測器組成，有助于縮小煙花發(fā)生的大致位置，同時(shí)需要基于光的望遠(yuǎn)鏡來識別中子星所在的確切星系。

對于 8 月 17 日被稱為 GW170817 的事件，大多數(shù)基于光的望遠(yuǎn)鏡直到九小時(shí)后才能開始尋找引力波事件的來源。LIGO-Virgo 團(tuán)隊(duì)在中子星碰撞 40 分鐘后向天文學(xué)界發(fā)出了個(gè)警報(bào)，并在事件發(fā)生 4.5 小時(shí)后發(fā)布了張?zhí)炜請D，勾勒出事件的大致位置。但到那時(shí)，南部天空中感興趣的區(qū)域已經(jīng)下降到地平線以下，并且超出了能夠看到它的南部望遠(yuǎn)鏡的視野。天文學(xué)家將不得不焦急地等待到事件發(fā)生九小時(shí)后才開始梳理天空。中子星碰撞后大約 11 小時(shí)，幾臺地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡終于確定了波源的位置：一個(gè)名為 NGC 4993 的星系，

為下一次跑步做好準(zhǔn)備

中子星如何相互撞擊并向宇宙播種重元素的故事中缺少 11 個(gè)小時(shí)，天文學(xué)家熱切期待更多的中子星碰撞。對于 LIGO-Virgo 即將進(jìn)行的運(yùn)行，其中還將包括日本 KAGRA的觀測結(jié)果，探測器一直在進(jìn)行一系列升級，以使其能夠更好地捕捉引力波事件，從而更好地捕捉中子星合并。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)前先進(jìn)探測器網(wǎng)絡(luò)的第五次觀測運(yùn)行中探測到多達(dá) 100 個(gè)。計(jì)劃在 2030 年代使用更先進(jìn)的探測器進(jìn)行未來運(yùn)行。

下一次運(yùn)行將采用的一項(xiàng)新功能是預(yù)警系統(tǒng)。專用軟件將補(bǔ)充迄今為止常規(guī)用于檢測所有引力波事件的主要軟件。

主要軟件也稱為搜索管道，通過將數(shù)據(jù)與代表不同類型事件（例如黑洞和中子星）的已知信號或波形庫進(jìn)行匹配，尋找隱藏在嘈雜 LIGO 數(shù)據(jù)中的弱引力波信號兼并。如果找到并確認(rèn)匹配，則會(huì)向天文學(xué)界發(fā)送警報(bào)。預(yù)警軟件以相同的方式工作，但只使用波形的截?cái)喟姹?，以便它可以更快地工作?/span>

“探測器在觀察運(yùn)行中不斷獲取新數(shù)據(jù)，我們正在將我們的波形與輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如果我們使用截?cái)嗖ㄐ?，我們不必等待收集到足夠多的?shù)據(jù)來做我們的比較，”馬吉說。“權(quán)衡是信號需要足夠響亮才能使用截?cái)嗖ㄐ螜z測到。重要的是仍然要與預(yù)警管道一起運(yùn)行主要管道以接收較弱的信號并獲得的終定位。” Magee、Sachdev 和他們的同事正在研究一種稱為 GSTLAL 的預(yù)警管道；LIGO-Virgo 的其他預(yù)警管道也在進(jìn)行中。

煙花之前

當(dāng)中子星像一對冰舞者一樣相互環(huán)繞時(shí)，它們的軌道運(yùn)行速度越來越快，并發(fā)出頻率越來越高的引力波。中子星之間的舞蹈比黑洞之間的舞蹈持續(xù)時(shí)間更長，在 LIGO 敏感的頻帶中長達(dá)幾分鐘，這讓 LIGO 和 Virgo 有更多時(shí)間趕上恒星戲劇性結(jié)局的前奏。在 GW170817 的例子中，這對混合的中子星在 LIGO-Virgo 可探測到的頻率范圍內(nèi)停留了 6 分鐘，然后兩個(gè)天體終合并。

LIGO 預(yù)警軟件的截?cái)嗖ㄐ沃荚诓蹲竭@一支舞的片段；事實(shí)上，研究人員認(rèn)為該軟件終會(huì)在碰撞前一分鐘捕捉到中子星合并。如果是這樣，那將使世界各地的望遠(yuǎn)鏡有更多時(shí)間來發(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 秒捕捉到其中一個(gè)中子星合并，”Sachdev 說。“到第五輪時(shí)，我們相信我們可以在一整分鐘警告的情況下抓到一個(gè)?！?/span>

對于天文學(xué)家來說，一分鐘是很多時(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的主任，他說即將發(fā)生的中子星合并的早期預(yù)警對于伽馬射線、X 射線和射電望遠(yuǎn)鏡來說尤為重要，因?yàn)榕鲎部赡軙?huì)在這些波長處爆發(fā)劈頭。“像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 2,000 天線深度天氣陣列 (DSA-2000) 這樣的射電望遠(yuǎn)鏡陣列可能能夠檢測到理論上發(fā)生在當(dāng)時(shí)的射電閃光中子星合并，在合并前的一次吸氣期間，在某些模型中，”Hallinan 說。“這將讓我們了解這些大規(guī)模破壞性事件的直接環(huán)境。更重要的是，

加州理工學(xué)院的研究生 Shreya Anand 說，對合并的早期光學(xué)和紫外線觀察可以揭示有關(guān)它們演化的新信息，例如元素是如何在從碰撞中噴出的快速移動(dòng)的物質(zhì)中形成的。

Anand 在加州理工學(xué)院天文學(xué)教授Mansi Kasliwal （MS '07，PhD '11）的小組中工作，她自己正忙于開發(fā)軟件，不是用于預(yù)警系統(tǒng)，而是用于搜索天空中的中子星合并和其他宇宙事件一次收到來自 LIGO 的警報(bào)。Kasliwal 的團(tuán)隊(duì)目前正在為 Zwicky Transient Facility (ZTF) 和即將推出的 Wide-field INfrared Transient Explorer (WINTER) 開發(fā)軟件，這兩種測量儀器位于加州理工學(xué)院的 Palomar 天文臺。ZTF 和 WINTER 可以跟進(jìn) LIGO 警報(bào)以發(fā)現(xiàn)并觀察中子星合并。阿南德正在開發(fā)可以加快搜索速度的軟件。

“我們的算法計(jì)算出如何地覆蓋不同的天空區(qū)域以及覆蓋多長時(shí)間以確保找到目標(biāo)的機(jī)會(huì)，”她說。“我們在合并的早期階段缺少有趣的物理學(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及早發(fā)現(xiàn)事件的機(jī)會(huì)。這終會(huì)給我們一個(gè)更完整的畫面正在發(fā)生的事情?！?/span>

由 Magee 領(lǐng)導(dǎo)的預(yù)警研究發(fā)表在The Astrophysical Journal Letters上。由 Sachdev 領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)研究也出現(xiàn)在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上。該研究由科學(xué)基金會(huì)資助。