15.03.2023. - Можно ли предсказать космические столкновения

Можно ли предсказать космические столкновения

17 августа 2017 года около 70 телескопов коллективно обратили свой взор на огненное столкновение двух мертвых звезд, которое произошло в миллионах световых лет от нас. Телескопы наблюдали, как это событие разворачивается в радуге длин волн, от радиоволн до видимого света и гамма-лучей с самой высокой энергией. Когда пара сверхплотных нейтронных звезд врезалась друг в друга, они разбросали обломки, которые светились днями, неделями и месяцами. Некоторые из наблюдающих телескопов заметили золото, платину и уран в обжигающем взрыве, подтверждая, что большинство тяжелых элементов в нашей Вселенной выкованы в результате такого космического столкновения.

Если бы на этом история закончилась, это космическое событие само по себе было бы примечательным, но в тот день на астрономическом собрании присутствовали три других детектора — два из LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) и один из европейской Virgo. LIGO и Virgo наблюдают не световые волны, а гравитационные волны, или колебания в пространстве и времени, создаваемые массивными ускоряющимися объектами. Когда нейтронные звезды скручиваются вместе, они генерируют гравитационные волны, прежде чем сливаются и взрываются светом. Это была гравитационно-волновая сеть LIGO-Virgo, которая предупредила десятки телескопов по всему миру о том, что в небе над головой происходит что-то удивительное. Без LIGO и Virgo 17 августа 2017 года был бы обычным астрономическим днем.

С тех пор сеть LIGO-Virgo обнаружила еще только одно слияние нейтронных звезд; в том случае, который произошел в 2019 году, световые телескопы не смогли наблюдать это событие. (LIGO-Virgo также обнаружил десятки слияний двойных черных дыр, но ожидается, что в большинстве случаев они не будут давать свет.) Поскольку LIGO-Virgo должен вернуться в мае этого года, астрономы взволнованно готовятся к более взрывным слияниям нейтронных звезд. Один из насущных вопросов, который волнует некоторых членов команды LIGO, звучит так: смогут ли они обнаружить эти события раньше — возможно, даже до того, как столкнутся мертвые звезды?

С этой целью исследователи разрабатывают программное обеспечение раннего предупреждения, чтобы предупреждать астрономов о слиянии нейтронных звезд за секунды или даже за целую минуту до удара. «Это гонка со временем», — говорит Райан Маги, докторант Калифорнийского технологического института, который вместе с Сурабхи Сачдев, профессором Технологического института Джорджии, руководит разработкой программного обеспечения для раннего предупреждения. «Мы упускаем драгоценное время, чтобы понять, что происходит до и сразу после этих слияний», — говорит он.

Как только LIGO обнаруживает вероятное столкновение нейтронной звезды, начинается гонка телескопов на земле и в космосе, чтобы отследить и точно определить ее местоположение. Сеть LIGO-Virgo, состоящая из трех детекторов гравитационных волн, помогает определить приблизительное место, где происходит фейерверк, в то время как световые телескопы необходимы для определения точной галактики, в которой находятся нейтронные звезды.

Для события 17 августа, известного как GW170817, большинство телескопов на основе света не смогли начать поиск источника гравитационно-волнового события до девяти часов спустя. Команда LIGO-Virgo отправила астрономическому сообществу свое первое предупреждение через 40 минут после столкновения нейтронной звезды и первые карты неба с указанием приблизительного местоположения события через 4,5 часа после события. Но к тому времени интересующая нас область южного неба скрылась за горизонтом и исчезла из поля зрения южных телескопов, способных ее увидеть. Астрономам пришлось бы с тревогой ждать до девяти часов после события, чтобы начать прочесывать небо. Примерно через 11 часов после столкновения нейтронной звезды несколько наземных оптических телескопов, наконец, определили местонахождение источника волн: галактики под названием NGC 4993, которая находится на расстоянии около 130 миллионов световых лет.

Поскольку до истории о том, как нейтронные звезды врезаются друг в друга и засеивают вселенную тяжелыми элементами, не хватает 11 часов, астрономы с нетерпением ждут новых столкновений нейтронных звезд. Для предстоящего запуска LIGO-Virgo, который также будет включать в себя наблюдения, сделанные японской KAGRA, детекторы претерпели серию обновлений, чтобы сделать их еще лучше в улавливании событий гравитационных волн и, следовательно, слияний нейтронных звезд. Команда рассчитывает обнаружить от четырех до 10 слияний нейтронных звезд в следующем прогоне и до 100 в пятом прогоне наблюдений текущей сети усовершенствованных детекторов, начало которого запланировано на 2027 год. Будущие прогоны с более продвинутыми детекторами запланированы на 2030-е годы.

Одной из новых функций, которая будет использована при следующем запуске, является система раннего предупреждения. Специализированное программное обеспечение дополнит основное программное обеспечение, которое до сих пор обычно использовалось для обнаружения всех гравитационно-волновых событий. Основное программное обеспечение, также называемое конвейером поиска, ищет слабые сигналы гравитационных волн, скрытые в зашумленных данных LIGO, сопоставляя данные с библиотекой известных сигналов или волновых форм, которые представляют различные типы событий, такие как черная дыра и нейтронная звезда. слияния. Если совпадение найдено и подтверждено, астрономическому сообществу отправляется предупреждение. Программное обеспечение раннего предупреждения работает таким же образом, но использует только усеченные версии сигналов, чтобы работать быстрее.

«Детекторы постоянно получают новые данные в процессе наблюдений, и мы сравниваем наши формы сигналов с данными по мере их поступления. Если мы используем усеченные формы сигналов, нам не нужно ждать, пока будет собрано столько данных, сравнения», — говорит Маги. «Компромисс заключается в том, что сигнал должен быть достаточно громким, чтобы его можно было обнаружить с помощью усеченных сигналов. Важно по-прежнему запускать основные конвейеры вместе с конвейером раннего предупреждения, чтобы уловить более слабые сигналы и получить наилучшие окончательные локализации». Маги, Сачдев и их коллеги работают над конвейером раннего предупреждения под названием GSTLAL; дополнительные конвейеры раннего предупреждения для LIGO-Virgo также находятся в разработке.

По мере того, как нейтронные звезды вращаются вокруг друг друга, как пара танцоров на льду, они вращаются все быстрее и быстрее и испускают гравитационные волны все более высоких частот. Финальный танец между нейтронными звездами длится дольше, чем между черными дырами, до нескольких минут в частотных диапазонах, к которым LIGO наиболее чувствителен, и это дает LIGO и Virgo больше времени, чтобы уловить подготовку к драматическому финалу звезд. В случае GW170817 пара смешивающихся нейтронных звезд провела шесть минут в диапазонах частот, обнаруживаемых LIGO-Virgo, прежде чем два тела в конечном итоге слились.

Усеченные формы сигналов программного обеспечения раннего предупреждения LIGO предназначены для захвата фрагментов этого последнего танца; на самом деле, исследователи считают, что программное обеспечение в конечном итоге поймает слияние нейтронных звезд за одну минуту до столкновения. Если это так, это даст телескопам по всему миру больше времени для поиска и изучения взрывов. «В следующем прогоне мы могли бы поймать одно из слияний нейтронных звезд на 10 секунд раньше времени», — говорит Сачдев. «Мы считаем, что к пятому запуску сможем поймать одного с полной минутой предупреждения». Для астрономов одна минута — это много времени. Профессор астрономии Калифорнийского технологического института Грегг Халлинан, директор радиообсерватории Калифорнийского технологического института в Оуэнс-Вэлли, говорит, что ранние предупреждения о неизбежном слиянии нейтронных звезд будут особенно важны для гамма-, рентгеновских и радиотелескопов, поскольку столкновения могут происходить именно на этих длинах волн. в самом начале.

«Массивы радиотелескопов, такие как длинноволновая решетка в радиообсерватории долины Оуэнс (OVRO-LWA) и будущая 2000-антенная глубокая синоптическая решетка Калифорнийского технологического института (DSA-2000), могут быть в состоянии обнаружить радиовспышку, которая, как предполагается, произойдет в то время. нейтронные звезды сливаются, а в некоторых моделях — во время последнего вдоха перед слиянием», — говорит Халлинан. «Это расскажет нам о непосредственном окружении этих масштабных разрушительных событий. Более того, наблюдение за радиовспышкой также может помочь нам быстро определить место слияния». Шрея Ананд, аспирант Калифорнийского технологического института, говорит, что ранние оптические и ультрафиолетовые наблюдения за слияниями могут дать новую информацию об их эволюции, например, о том, как элементы образуются в быстро движущемся материале, выбрасываемом в результате столкновений.

Ананд, которая работает в группе профессора астрономии Калифорнийского технологического института Манси Касливала, сама занята разработкой программного обеспечения, но не для систем раннего предупреждения, а для поиска в небе слияний нейтронных звезд и других космические события после получения предупреждения от LIGO. Группа Касливаля в настоящее время разрабатывает программное обеспечение для Zwicky Transient Facility (ZTF) и готовящегося к выпуску Wide-field INfrared Transient Explorer (WINTER), двух инструментов исследования, базирующихся в Паломарской обсерватории Калифорнийского технологического института. ZTF и WINTER могут следить за предупреждением LIGO, чтобы найти и наблюдать слияние нейтронных звезд. Ананд разрабатывает программное обеспечение, которое ускорит этот поиск.

«Наши алгоритмы выясняют, как лучше всего охватить разные участки неба и как долго обеспечивать максимальную вероятность обнаружения цели», — говорит она. «На ранних этапах слияния нам не хватает интересной физики. Программное обеспечение для раннего предупреждения от команды LIGO и программное обеспечение для поиска с помощью телескопа увеличат наши шансы обнаружить событие на раннем этапе. Это в конечном итоге даст нам более полную картину. того, что происходит».

Источник