可以在宇宙碰撞发生之前预测它们吗

2017年8月17日，大约70台望远镜共同将目光投向了发生在数百万光年之外的两颗死星之间的激烈碰撞。从无线电波到可见光再到最高能量的伽马射线，望远镜观察到这一事件在彩虹般的波长中展开。

当这对超高密度中子星相互碰撞时，它们向外抛出碎片，这些碎片会发光数天、数周和数月。一些旁观的望远镜在灼热的爆炸中发现了金、铂和铀，证实了我们宇宙中大多数重元素都是在这种类型的宇宙碰撞中形成的。

如果故事就此结束，这个宇宙事件本身就会引人注目，但当天的天文聚会还出现了另外三个探测器——两个属于国家科学基金会资助的LIGO(激光干涉仪引力波天文台)和一位属于欧洲的处女座。

LIGO和Virgo观察的不是光波，而是引力波，或由大质量加速物体产生的空间和时间颤动。当中子星一起旋转时，它们会在合并并与光一起爆炸之前产生引力波。

LIGO-Virgo引力波网络向世界各地的数十台望远镜发出警报，上面的天空正在发生惊人的事情。如果没有LIGO和处女座，2017年8月17日将是天文学中典型的一天。

从那时起，LIGO-Virgo网络只检测到另一颗中子星合并;在2019年发生的那种情况下，基于光的望远镜无法观测到该事件。(LIGO-Virgo还检测到数十个双黑洞合并，但在大多数情况下预计不会产生光。)

随着LIGO-Virgo计划于今年5月返回，天文学家们正兴奋地为更多爆炸性的中子星合并做准备。一些LIGO团队成员心中的一个紧迫问题是：他们能否更快地检测到这些事件——甚至可能在死星碰撞之前?

为此，研究人员正在开发预警软件，以在撞击发生前几秒甚至一整分钟提醒天文学家注意中子星合并。

“这是一场与时间的赛跑，”加州理工学院博士后学者RyanMagee说，他与佐治亚理工学院教授SurabhiSachdev(MS'17，PhD'19)共同领导预警软件的开发。“我们错过了宝贵的时间来了解这些合并之前和之后发生的事情，”他说。

十一小时后，源头被发现

一旦LIGO检测到可能的中子星碰撞，地面和太空中的望远镜就会开始跟进并确定其位置。LIGO-Virgo网络由三个引力波探测器组成，有助于缩小烟花发生的大致位置，同时需要基于光的望远镜来识别中子星所在的确切星系。

对于8月17日被称为GW170817的事件，大多数基于光的望远镜直到九小时后才能开始寻找引力波事件的来源。LIGO-Virgo团队在中子星碰撞发生40分钟后向天文学界发出了第一个警报，并在事件发生4.5小时后发布了第一张天空图，勾勒出事件的大致位置。

但到那时，南部天空中感兴趣的区域已经下降到地平线以下，并且超出了能够看到它的南部望远镜的视野。天文学家将不得不焦急地等待到事件发生九小时后才开始梳理天空。

中子星碰撞后约11小时，几台地面光学望远镜终于确定了波源的位置：一个名为NGC4993的星系，距离我们约1.3亿光年。

为下一次跑步做好准备

中子星如何相互撞击并向宇宙播种重元素的故事中缺少11个小时，天文学家热切期待更多的中子星碰撞。对于LIGO-Virgo即将进行的运行，其中还将包括日本KAGRA的观测结果，探测器一直在进行一系列升级，以使其能够更好地捕捉引力波事件，从而更好地捕捉中子星合并。

该团队预计在下一次运行中探测到4到10个中子星合并，并在计划于2027年开始的当前先进探测器网络的第五次观测运行中探测到多达100个。计划在2030年代使用更先进的探测器进行未来运行。

下一次运行将采用的一项新功能是预警系统。专用软件将补充迄今为止常规用于检测所有引力波事件的主要软件。

主要软件，也称为搜索管道，通过将数据与代表不同类型事件(例如黑洞和中子星)的已知信号或波形库进行匹配，寻找隐藏在嘈杂LIGO数据中的弱引力波信号兼并。

如果找到并确认匹配，则会向天文学界发送警报。预警软件以相同的方式工作，但只使用波形的截断版本，以便它可以更快地工作。

“探测器在观察运行中不断获取新数据，我们正在将我们的波形与传入的数据进行比较。如果我们使用截断波形，我们不必等待收集到尽可能多的数据来做我们的比较，”马吉说。

“权衡是信号需要足够响亮才能使用截断波形进行检测。重要的是仍然要与预警管道一起运行主要管道，以接收较弱的信号并获得最佳的最终定位。”Magee、Sachdev和他们的同事正在研究一种称为GSTLAL的预警管道;LIGO-Virgo的其他预警管道也在进行中。

烟花之前

当中子星像一对冰舞者一样相互环绕时，它们的轨道运行速度越来越快，并发出频率越来越高的引力波。中子星之间的最后舞蹈比黑洞之间的舞蹈持续时间更长，在LIGO最敏感的频带中长达几分钟，这让LIGO和Virgo有更多时间赶上恒星戏剧性结局的前奏。

在GW170817的例子中，这对混合的中子星在LIGO-Virgo可探测到的频率范围内停留了6分钟，然后两个天体最终合并。

LIGO预警软件的截断波形旨在捕捉这最后一支舞的片段;事实上，研究人员认为该软件最终会在碰撞前一分钟捕捉到中子星合并。如果是这样，那将使世界各地的望远镜有更多时间来发现和研究爆炸。

“在下一次运行中，我们可能能够提前10秒捕捉到其中一个中子星合并，”Sachdev说。“到第五轮时，我们相信我们可以在一整分钟的警告下赶上一个。”

对于天文学家来说，一分钟是很多时间。加州理工学院天文学教授GreggHallinan是加州理工学院欧文斯谷射电天文台的主任，他说即将发生的中子星合并的早期预警对于伽马射线、X射线和射电望远镜来说尤为重要，因为碰撞可能会在这些波长处爆发劈头。

“像欧文斯谷射电天文台(OVRO-LWA)的长波长阵列和加州理工学院未来的2,000天线深度天气阵列(DSA-2000)这样的射电望远镜阵列可能能够检测到理论上发生在当时的射电闪光中子星合并，在合并前的最后一次吸气期间，在某些模型中，”Hallinan说。

“这将让我们了解这些大规模破坏性事件的直接环境。更重要的是，看到无线电闪光还可以帮助我们快速确定合并的位置。”

加州理工学院的研究生ShreyaAnand说，对合并的早期光学和紫外线观察可以揭示有关它们演化的新信息，例如元素是如何在从碰撞中喷出的快速移动的物质中形成的。

Anand在加州理工学院天文学教授MansiKasliwal(MS'07，PhD'11)的小组中工作，她自己正忙于开发软件，不是用于预警系统，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来自LIGO的警报。

Kasliwal的团队目前正在为ZwickyTransientFacility(ZTF)和即将推出的Wide-fieldINfraredTransientExplorer(WINTER)开发软件，这两种测量仪器位于加州理工学院的Palomar天文台。ZTF和WINTER可以跟进LIGO警报以发现并观察中子星合并。阿南德正在开发可以加快搜索速度的软件。

“我们的算法计算出如何最好地覆盖不同的天空区域，以及覆盖多长时间以确保找到目标的最大机会，”她说。

“在合并的早期阶段，我们缺少有趣的物理学。LIGO团队的预警软件和我们的望远镜搜索软件将加快我们及早发现事件的机会。这最终会让我们更全面地了解正在发生的事情。”