Kozmik çarpışmalar gerçekleşmeden önce tahmin edilebilir mi?

17 Ağustos 2017’de, yaklaşık 70 teleskop topluca bakışlarını milyonlarca ışıkyılı uzaklıkta meydana gelen iki ölü yıldız arasında ateşli bir çarpışmaya çevirdi. Teleskoplar, olayın radyo dalgalarından görünür ışığa ve en yüksek enerjili gama ışınlarına kadar bir dalga boylarında gökkuşağında gelişmesini izledi. Ultra yoğun nötron yıldızı çifti birbirine çarptığında, günler, haftalar ve aylar boyunca parıldayan enkazları dışarıya doğru fırlattı. İzleyen teleskoplardan bazıları yakıcı patlamada altın, platin ve uranyum tespit etti ve evrenimizdeki çoğu ağır elementin bu tür kozmik çarpışmalarda oluştuğunu doğruladı.

Hikayenin sonu olsaydı, bu kozmik olay kendi içinde dikkate değer olurdu, ancak o gün astronomik toplantı için üç başka dedektör daha vardı – ikisi LIGO’ya (Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi) ve biri Avrupa’nın Başak’ına aitti. LIGO ve Başak, ışık dalgalarını değil, yerçekimi dalgalarını veya uzayda ve zamanda büyük ivmeli nesneler tarafından üretilen titremeleri gözlemler. Nötron yıldızları sarmal bir şekilde bir araya geldikçe, ışıkla birleşip patlamadan önce yerçekimi dalgaları üretirler. Dünyanın dört bir yanındaki düzinelerce teleskopu yukarıdaki göklerde şaşırtıcı bir şeyin meydana geldiği konusunda uyaran, LIGO-Başak yerçekimi dalgası ağıydı. LIGO ve Başak olmasaydı, 17 Ağustos 2017 astronomide tipik bir gün olurdu.

O zamandan beri, LIGO-Virgo ağı yalnızca bir başka nötron yıldızı birleşmesi tespit etti; 2019’da meydana gelen bu durumda, ışık tabanlı teleskoplar olayı gözlemleyemedi. (LIGO-Virgo ayrıca düzinelerce ikili kara delik birleşmesi tespit etti, ancak bunların çoğu durumda ışık üretmesi beklenmiyor.) LIGO-Virgo’nun bu Mayıs’ta geri dönmesi planlandığından, astronomlar heyecanla daha patlayıcı nötron yıldızı birleşmelerine hazırlanıyorlar. Bazı LIGO ekip üyelerinin kafasındaki acil soru şudur: Bu olayları daha erken, hatta belki de ölü yıldızlar çarpışmadan önce tespit edebilirler mi?

Bu amaçla araştırmacılar, astronomları çarpışmadan saniyeler, hatta tam bir dakika öncesine kadar nötron yıldızı birleşmelerine karşı uyarmak için erken uyarı yazılımı geliştiriyorlar.

Georgia Tech’te profesör olan Surabhi Sachdev ile birlikte erken uyarı yazılımının geliştirilmesine liderlik eden bir Caltech doktora sonrası akademisyeni olan Ryan Magee, “Zamana karşı bir yarış” diyor. “Bu birleşmelerden önce ve hemen sonra ne olduğunu anlamak için değerli zamanımızı kaçırıyoruz” diyor.

11 saat sonra kaynak bulundu

LIGO olası bir nötron yıldızı çarpışmasını tespit ettiğinde, yerdeki ve uzaydaki teleskopların yerini takip etmesi ve yerini tam olarak belirlemesi için yarış başlar. Üç yerçekimi dalgası dedektöründen oluşan LIGO-Virgo ağı, nötron yıldızlarının bulunduğu galaksiyi tam olarak belirlemek için ışığa dayalı teleskoplar gerekliyken, havai fişeklerin meydana geldiği yaklaşık konumu daraltmaya yardımcı olur.

GW170817 olarak bilinen 17 Ağustos olayı için, ışığa dayalı teleskopların çoğu yerçekimi dalgası olayının kaynağını dokuz saat sonrasına kadar aramaya başlayamadı. LIGO-Virgo ekibi, nötron yıldızı çarpışmasından 40 dakika sonra astronomi camiasına ilk uyarısını ve olaydan 4,5 saat sonra, olayın kaba konumunun ana hatlarını çizen ilk gökyüzü haritalarını gönderdi.

Ancak o zamana kadar, güney göklerindeki ilgi alanı ufkun altına düşmüş ve onu görebilecek güney teleskoplarının görüş alanı dışında kalmıştı. Gökbilimciler, gökyüzünü taramaya başlamak için olaydan dokuz saat sonrasına kadar endişeyle beklemek zorunda kalacaklardı. Nötron yıldızı çarpışmasından yaklaşık 11 saat sonra, yer tabanlı birkaç optik teleskop sonunda dalgaların kaynağının yerini saptamıştı: NGC 4993 adlı, yaklaşık 130 milyon ışıkyılı uzaklıkta bulunan bir gökada.

Bir sonraki koşu için hazırlanıyor

Nötron yıldızlarının nasıl birbirine çarparak evreni ağır elementlerle tohumladığını anlatan hikayede 11 saat eksikken, gökbilimciler hevesle daha fazla nötron yıldızı çarpışmasını bekliyorlar. Japon KAGRA tarafından yapılan gözlemleri de içerecek olan LIGO-Virgo’nun yaklaşan çalışması için, dedektörler yerçekimi dalgası olaylarını ve dolayısıyla nötron yıldızı birleşmelerini yakalamada daha da iyi hale getirmek için bir dizi yükseltmeden geçiyor. Ekip, bir sonraki çalışmada 4 ila 10 nötron yıldızı birleşmesini ve 2027’de başlaması planlanan mevcut gelişmiş dedektör ağının beşinci gözlem çalışmasında 100’e kadar nötron yıldızı birleşmesini tespit etmeyi bekliyor. 2030’lar için daha gelişmiş dedektörlerle gelecek çalışmalar planlanıyor.

Bir sonraki çalıştırmada kullanılacak yeni bir özellik, erken uyarı uyarı sistemidir. Özel yazılım, şimdiye kadar tüm yerçekimi dalgası olaylarını tespit etmek için rutin olarak kullanılan ana yazılımı tamamlayacak.

Arama boru hattı olarak da adlandırılan ana yazılım, verileri kara delik ve nötron yıldızı gibi farklı olay türlerini temsil eden bilinen sinyaller veya dalga biçimleri kitaplığıyla eşleştirerek gürültülü LIGO verilerinde gömülü zayıf yerçekimi dalgası sinyallerini arar. birleşmeler Bir eşleşme bulunur ve onaylanırsa astronomi topluluğuna bir uyarı gönderilir. Erken uyarı yazılımı aynı şekilde çalışır, ancak daha hızlı çalışabilmesi için dalga biçimlerinin yalnızca kısaltılmış sürümlerini kullanır.

“Dedektörler bir gözlem çalışmasında sürekli olarak yeni veriler alıyor ve biz de dalga biçimlerimizi geldikleri verilerle karşılaştırıyoruz. Kesik dalga biçimleri kullanırsak, işimizi yapmak için çok fazla verinin toplanmasını beklememiz gerekmez. karşılaştırma,” diyor Magee. “Takas, sinyalin kesik dalga formları kullanılarak algılanacak kadar yüksek olması gerektiğidir. Daha zayıf sinyalleri almak ve en iyi nihai yerelleştirmeleri elde etmek için ana boru hatlarını erken uyarı boru hattının yanında çalıştırmaya devam etmek önemlidir.” Magee, Sachdev ve meslektaşları, GSTLAL adlı bir erken uyarı hattı üzerinde çalışıyorlar; LIGO-Virgo için ek erken uyarı boru hatları da yapım aşamasındadır.

havai fişeklerden önce

Nötron yıldızları, bir çift buz dansçısı gibi birbirlerinin etrafında döndükçe, gittikçe daha hızlı dönerler ve giderek daha yüksek frekanslarda yerçekimi dalgaları yayarlar. Nötron yıldızları arasındaki son dans, kara delikler arasındakinden daha uzun sürer, LIGO’nun en hassas olduğu frekans bantlarında birkaç dakikaya kadar sürer ve bu, LIGO ve Başak’a yıldızların dramatik finaline giden yolu yakalamaları için daha fazla zaman verir. GW170817 durumunda, karışan nötron yıldızları çifti, iki cisim nihai olarak birleşmeden önce LIGO-Virgo tarafından tespit edilebilen frekans aralıklarında altı dakika geçirdi.

LIGO erken uyarı yazılımının kesik dalga biçimleri, bu son dansın parçalarını yakalamak için tasarlanmıştır; Aslında araştırmacılar, yazılımın çarpışmadan bir dakika öncesine kadar bir nötron yıldızı birleşmesini eninde sonunda yakalayacağını düşünüyor. Eğer öyleyse, bu, dünyanın dört bir yanındaki teleskoplara patlamaları bulmak ve incelemek için daha fazla zaman verecektir.

Sachdev, “Bir sonraki çalışmada, nötron yıldızı birleşmelerinden birini 10 saniye önceden yakalayabiliriz” diyor. “Beşinci seferde, tam bir dakikalık uyarı ile birini yakalayabileceğimize inanıyoruz.”

Gökbilimciler için bir dakika çok uzun bir süre. Caltech’in Owens Valley Radyo Gözlemevi’nin yöneticisi ve Caltech astronomi profesörü Gregg Hallinan, yaklaşan nötron yıldızı birleşmelerine ilişkin erken uyarıların gama ışını, X-ışınları ve radyo teleskopları için özellikle önemli olacağını çünkü çarpışmaların bu dalga boylarında patlayabileceğini söylüyor. en başında.

“Owens Valley Radyo Gözlemevi’ndeki Uzun Dalga Boyu Dizisi (OVRO-LWA) ve Caltech’in gelecekteki 2.000 antenli Derin Sinoptik Dizisi (DSA-2000) gibi radyo teleskop dizileri, o sırada meydana geleceği teorize edilen bir radyo flaşını algılayabilir. nötron yıldızları birleşiyor ve bazı modellerde birleşmeden önceki son ilham sırasında” diyor Hallinan. “Bu, bize bu büyük ölçüde yıkıcı olayların yakın çevreleri hakkında bilgi verecektir. Dahası, bir radyo flaşı görmek, birleşmelerin yerini hızla tespit etmemize de yardımcı olabilir.”

Caltech lisansüstü öğrencisi Shreya Anand, birleşmelerin ilk optik ve ultraviyole gözlemlerinin, çarpışmalardan fırlayan hızlı hareket eden malzemede elementlerin nasıl oluştuğu gibi, bunların evrimi hakkında yeni bilgiler ortaya çıkarabileceğini söylüyor.

Caltech astronomi profesörü Mansi Kasliwal’ın (MS ’07, Ph.D. ’11) grubunda çalışan Anand, erken uyarı sistemleri için değil, nötron yıldızı birleşmeleri ve diğer şeyler için gökyüzünü aramak için kendisi yazılım geliştirmekle meşgul. LIGO’dan bir uyarı alındığında kozmik olaylar. Kasliwal’ın grubu şu anda Caltech’in Palomar Gözlemevi’nde bulunan iki araştırma aracı olan Zwicky Geçici Tesisi (ZTF) ve yakında çıkacak olan Geniş Alan Kızılötesi Geçici Gezgin (WINTER) için yazılım geliştiriyor. ZTF ve WINTER, bir nötron yıldızı birleşmesini bulmak ve gözlemlemek için bir LIGO uyarısını takip edebilir. Anand, bu aramayı hızlandıracak bir yazılım geliştiriyor.

“Algoritmalarımız, gökyüzünün farklı bölgelerini en iyi şekilde nasıl kapsayacağını ve hedefi bulma şansını en üst düzeye çıkarmak için ne kadar süre kalacağını buluyor” diyor. “Birleşmelerin ilk aşamalarında ilginç fizik unsurlarını kaçırıyoruz. LIGO ekibinin erken uyarı yazılımı ve teleskop aramalarımız için kullanılan yazılım, bir olayı erkenden bulma şansımızı hızlandıracak. Bu, nihayetinde bize daha eksiksiz bir resim verecek. neler olup bittiğine dair.”

erken uyarı Magee liderliğindeki çalışma ortaya çıkan Astrofizik Dergi Mektupları 2021’de. Sachdev liderliğindeki çalışma da ortaya çıktı Astrofizik Dergi Mektupları 2020’de