加州理工學院:可以在宇宙碰撞發生之前預測它們嗎？
LIGO 研究人員正在開發預警軟件以更快地捕獲中子星合并
2017 年 8 月 17 日，大約 70 臺望遠鏡共同將目光投向了發生在數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，望遠鏡觀察到這一事件在彩虹般的波長中展開。當這對超高密度中子星相互碰撞時，它們向外拋出碎片，這些碎片會發光數天、數周和數月。一些旁觀的望遠鏡在灼熱的爆炸中發現了金、鉑和鈾，證實了我們宇宙中大多數重元素都是在這種類型的宇宙碰撞中形成的。
如果故事就這樣結束了，這個宇宙事件本身就很了不起，但是那天還有另外三個探測器用于天文收集——兩個屬于科學基金會資助的 LIGO（激光干涉儀引力波天文臺）和一個屬于歐洲的處女座。LIGO 和 Virgo 觀察的不是光波，而是引力波，或由大質量加速物體產生的空間和時間顫動。當中子星一起旋轉時，它們會在合并并與光一起爆炸之前產生引力波。正是 LIGO-Virgo 引力波網絡向世界各地的數十臺望遠鏡發出警報上空發生了驚人的事情。如果沒有 LIGO 和處女座，2017 年 8 月 17 日將是天文學中典型的。
從那時起，LIGO-Virgo 網絡只檢測到另一顆中子星合并；在 2019 年發生的那種情況下，基于光的望遠鏡無法觀測到該事件。（LIGO-Virgo 還檢測到數十個雙黑洞合并，但在大多數情況下預計不會產生光。）隨著 LIGO-Virgo 計劃于今年 5 月返回，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，研究人員正在開發預警軟件，以在撞擊發生前幾秒甚至一整分鐘提醒天文學家注意中子星合并。
“這是一場與時間的賽跑，”加州理工學院博士后學者 Ryan Magee 說，他與佐治亞理工學院教授 Surabhi Sachdev（MS '17，PhD '19）共同領導預警軟件的開發。“我們正在錯過寶貴的時間來了解這些合并之前和之后發生的事情，”他說。
十一小時后，源頭被發現
一旦 LIGO 檢測到可能的中子星碰撞，地面和太空中的望遠鏡就會開始跟進并確定其位置。LIGO-Virgo 網絡由三個引力波探測器組成，有助于縮小煙花發生的大致位置，同時需要基于光的望遠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，大多數基于光的望遠鏡直到九小時后才能開始尋找引力波事件的來源。LIGO-Virgo 團隊在中子星碰撞 40 分鐘后向天文學界發出了個警報，并在事件發生 4.5 小時后發布了張天空圖，勾勒出事件的大致位置。但到那時，南部天空中感興趣的區域已經下降到地平線以下，并且超出了能夠看到它的南部望遠鏡的視野。天文學家將不得不焦急地等待到事件發生九小時后才開始梳理天空。中子星碰撞后大約 11 小時，幾臺地面光學望遠鏡終于確定了波源的位置：一個名為 NGC 4993 的星系，
為下一次跑步做好準備
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 個小時，天文學家熱切期待更多的中子星碰撞。對于 LIGO-Virgo 即將進行的運行，其中還將包括日本 KAGRA的觀測結果，探測器一直在進行一系列升級，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 年開始的當前先進探測器網絡的第五次觀測運行中探測到多達 100 個。計劃在 2030 年代使用更先進的探測器進行未來運行。
下一次運行將采用的一項新功能是預警系統。專用軟件將補充迄今為止常規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，通過將數據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行匹配，尋找隱藏在嘈雜 LIGO 數據中的弱引力波信號兼并。如果找到并確認匹配，則會向天文學界發送警報。預警軟件以相同的方式工作，但只使用波形的截斷版本，以便它可以更快地工作。
“探測器在觀察運行中不斷獲取新數據，我們正在將我們的波形與輸入的數據進行比較。如果我們使用截斷波形，我們不必等待收集到足夠多的數據來做我們的比較，”馬吉說。“權衡是信號需要足夠響亮才能使用截斷波形檢測到。重要的是仍然要與預警管道一起運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 的預警管道；LIGO-Virgo 的其他預警管道也在進行中。
煙花之前
當中子星像一對冰舞者一樣相互環繞時，它們的軌道運行速度越來越快，并發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時間更長，在 LIGO 敏感的頻帶中長達幾分鐘，這讓 LIGO 和 Virgo 有更多時間趕上恒星戲劇性結局的前奏。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停留了 6 分鐘，然后兩個天體終合并。
LIGO 預警軟件的截斷波形旨在捕捉這一支舞的片段；事實上，研究人員認為該軟件終會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鏡有更多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 秒捕捉到其中一個中子星合并，”Sachdev 說。“到第五輪時，我們相信我們可以在一整分鐘警告的情況下抓到一個。”
對于天文學家來說，一分鐘是很多時間。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，他說即將發生的中子星合并的早期預警對于伽馬射線、X 射線和射電望遠鏡來說尤為重要，因為碰撞可能會在這些波長處爆發劈頭。“像歐文斯谷射電天文臺 (OVRO-LWA) 的長波長陣列和加州理工學院未來的 2,000 天線深度天氣陣列 (DSA-2000) 這樣的射電望遠鏡陣列可能能夠檢測到理論上發生在當時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模破壞性事件的直接環境。更重要的是，
加州理工學院的研究生 Shreya Anand 說，對合并的早期光學和紫外線觀察可以揭示有關它們演化的新信息，例如元素是如何在從碰撞中噴出的快速移動的物質中形成的。
Anand 在加州理工學院天文學教授Mansi Kasliwal （MS '07，PhD '11）的小組中工作，她自己正忙于開發軟件，不是用于預警系統，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。Kasliwal 的團隊目前正在為 Zwicky Transient Facility (ZTF) 和即將推出的 Wide-field INfrared Transient Explorer (WINTER) 開發軟件，這兩種測量儀器位于加州理工學院的 Palomar 天文臺。ZTF 和 WINTER 可以跟進 LIGO 警報以發現并觀察中子星合并。阿南德正在開發可以加快搜索速度的軟件。
“我們的算法計算出如何地覆蓋不同的天空區域以及覆蓋多長時間以確保找到目標的機會，”她說。“我們在合并的早期階段缺少有趣的物理學。LIGO 團隊的預警軟件和我們的望遠鏡搜索軟件將加快我們及早發現事件的機會。這終會給我們一個更完整的畫面正在發生的事情。”
由 Magee 領導的預警研究發表在The Astrophysical Journal Letters上。由 Sachdev 領導的這項研究也出現在《天體物理學雜志快報》上。該研究由科學基金會資助。
