宇宙碰撞可以在发生之前预测吗？

2025-05-10 08:31探索百科

宇宙碰撞可以在发生之前预测吗？Credit: California Institute of Technology

据美国物理学家组织网（by Whitney Clavin, California Institute of Technology）：2017年8月17日，大约70架望远镜集体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。望远镜在彩虹般的波长中观察这一事件，从无线电波到可见光到最高能量的伽马射线。当这对超高密度中子星相互碰撞时，它们向外抛出碎片，这些碎片会发光几天、几周甚至几个月。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。

如果故事到此结束，这一宇宙事件本身就会引人注目，但那天的天文聚会上还有其他三个探测器——两个属于LIGO(激光干涉引力波天文台)，一个属于欧洲的处女座。LIGO和处女座观察到的不是光波，而是引力波，或者由大质量加速物体产生的时空抖动。随着中子星螺旋在一起，它们在合并并爆发出光之前会产生引力波。正是Virgo室女座引力波网络提醒了世界各地的几十架望远镜，上面的天空中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，Virgo室女座网络只发现了另外一个中子星合并；在这种情况下，发生在2019年，基于光的望远镜无法观测到这一事件。(light处女座也探测到了几十个二元黑洞合并，但在大多数情况下，这些都不会发光。)随着Virgo处女座预定于今年5月回归，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:他们能更快地探测到这些事件吗——甚至可能在死亡恒星碰撞之前？

为此，研究人员正在开发早期预警软件，以在撞击前几秒钟甚至整整一分钟提醒天文学家中子星合并。

“这是一场与时间的赛跑，”加州理工学院博士后学者瑞安·麦咭说，他正与佐治亚理工学院教授苏拉比·萨克德夫共同领导预警软件的开发。“我们错过了宝贵的时间来理解这些合并前后发生了什么，”他说。

十一个小时后，源头找到了

一旦LIGO探测到一个可能的中子星碰撞，地面和太空的望远镜就开始追踪并精确定位它的位置。由三个引力波探测器组成的Virgo处女座网络有助于缩小烟火发生的大致位置，同时需要基于光学的望远镜来识别中子星所在的确切星系。

对于8月17日的事件，即GW170817，大多数基于光的望远镜直到9个小时后才能开始搜索引力波事件的来源。Virgo处女座团队在中子星碰撞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小时后绘制了第一张星图，概述了事件的大致位置。

但是到那个时候，南部天空中感兴趣的区域已经下降到地平线以下，超出了能够看到它的南方望远镜的视野。天文学家将不得不焦急地等待，直到事件发生后九个小时才开始搜索天空。中子星碰撞后大约11个小时，几台地面光学望远镜终于锁定了电波的来源:一个名为NGC 4993的星系，距离我们大约1.3亿光年。

为下次跑步做准备

中子星如何相互撞击并在宇宙中播种重元素的故事已经过去了11个小时，天文学家们急切地等待着更多的中子星碰撞。对于Virgo室女座的即将到来的运行，其中也将包括日本KAGRA的观测，探测器已经进行了一系列升级，以使它们能够更好地捕捉引力波事件，从而捕捉中子星合并。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年开始的当前高级探测器网络的第五次观测运行中探测到多达100个。计划在21世纪30年代使用更先进的探测器。

下一次运行将采用的一个新功能是早期预警警报系统。这个专门的软件将补充到目前为止常规用于探测所有引力波事件的主要软件。

主软件也称为搜索管道，通过将数据与已知信号或波形库进行匹配，寻找隐藏在嘈杂的LIGO数据中的微弱引力波信号，这些信号或波形代表不同类型的事件，如黑洞和中子星合并。如果发现并确认了匹配，就会向天文学界发出警报。预警软件以同样的方式工作，但只使用波形的截断版本，以便它可以更快地工作。

“探测器在观测过程中不断获取新数据，我们将波形与数据进行比较。麦咭说:“如果我们使用截断的波形，我们就不必等到收集了足够多的数据后再进行比较。”。“权衡的结果是，信号需要足够大，以便使用截断的波形进行检测。重要的是仍然沿着预警管道运行主要管道，以拾取较弱的信号，并获得最佳的最终定位。”麦咭、萨克德夫和他们的同事正在研究一条名为GSTLAL的预警管道；Virgo处女座的其他预警管道也在建设中。

在烟火之前