Badacze LIGO opracowują oprogramowanie wczesnego ostrzegania, aby szybciej wykrywać fuzje gwiazd neutronowych.
17 sierpnia 2017 roku około 70 teleskopów zostało skierowanych na zderzenie dwóch martwych gwiazd, które miało miejsce miliony lat świetlnych stąd. Teleskopy obserwowały rozwój wydarzenia na wielu długościach fal, od radiowych, przez światło widzialne, aż po promienie gamma najwyższych energii. Gdy dwie bardzo gęste gwiazdy neutronowe zderzyły się ze sobą, wyrzuciły na zewnątrz szczątki, które świeciły przez dni, tygodnie a nawet miesiące. Niektóre z teleskopów dostrzegły złoto, platynę i uran w płonącym wybuchu, potwierdzając, że większość ciężkich pierwiastków we Wszechświecie powstaje w tego typu kosmicznych kolizjach.
Gdyby to był koniec historii, to kosmiczne wydarzenie samo w sobie byłoby niezwykłe, ale tego dnia w astronomicznym zgromadzeniu uczestniczyły trzy inne detektory – dwa należące do LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) i jeden należący do Virgo. LIGO i Virgo obserwują fale grawitacyjne wytwarzane przez masywne, przyspieszające obiekty. Kiedy gwiazdy neutronowe poruszają się po spirali, generują fale grawitacyjne, zanim połączą się i eksplodują światłem. To właśnie sieć detektorów fal grawitacyjnych LIGO-Virgo zaalarmowała dziesiątki teleskopów na całym świecie, że na niebie dzieje się coś zadziwiającego. Bez LIGO i Virgo, 17 sierpnia 2017 roku byłby typowym dniem w astronomii.
Od tego czasu sieć LIGO-Virgo wykryła tylko jedno połączenie gwiazd neutronowych; w tym przypadku, który miał miejsce w 2019 roku, teleskopy optyczne nie były w stanie zaobserwować zdarzenia. Ponieważ LIGO-Virgo ma zostać ponownie uruchomione w maju 2023 roku, astronomowie z podekscytowaniem przygotowują się do bardziej wybuchowych połączeń gwiazd neutronowych. Jednym z ważnych pytań nurtujących niektórych członków zespołu LIGO, jest: czy mogą wykryć te zdarzenia wcześniej – być może nawet zanim zderzą się martwe gwiazdy?
W tym celu naukowcy opracowują oprogramowanie wczesnego ostrzegania, które będzie ostrzegać astronomów o fuzjach gwiazd neutronowych na kilka sekund lub nawet całą minutę przed zdarzeniem.
Gdy LIGO wykryje prawdopodobną kolizję gwiazd neutronowych, rozpoczyna się wyścig teleskopów naziemnych i kosmicznych, aby śledzić i określać jej lokalizację. Sieć LIGO-Virgo, która składa się z trzech detektorów fal grawitacyjnych, pomaga zawęzić przybliżoną lokalizację zdarzenia, podczas gdy teleskopy optyczne są potrzebne do dokładnej identyfikacji galaktyki, w której znajdują się gwiazdy neutronowe.
W przypadku zdarzenia z 17 sierpnia 2017 roku, znanego jako GW170817, większość teleskopów optycznych była w stanie rozpocząć poszukiwania źródła fal grawitacyjnych dopiero dziesięć godzin później. Zespół LIGO-Virgo wysłał pierwsze ostrzeżenie do społeczności astronomicznej 40 minut po rejestracji zderzenia gwiazd neutronowych, a pierwsze mapy nieba, zarysowujące przybliżoną lokalizację zdarzenia 4,5 godziny po zdarzeniu. Jednak do tego czasu interesujący nas rejon południowego nieba zanurzył się poniżej horyzontu i znalazł się poza zasięgiem zdolnych do jego dostrzeżenia południowych teleskopów. Astronomowie musieli czekać z niepokojem do dziesięciu godzin po zdarzeniu, aby zacząć przeczesywać niebo. Około 11 godzin po zderzeniu gwiazd neutronowych, kilka naziemnych teleskopów optycznych w końcu ustaliło położenie źródła fal: galaktyki NGC 4993, która leży około 130 milionów lat świetlnych stąd.
Ponieważ brakuje 11 godzin w opowieści o tym, jak gwiazdy neutronowe wpadają na siebie i zasiewają Wszechświat ciężkimi pierwiastkami, astronomowie z niecierpliwością oczekują kolejnych zderzeń gwiazd neutronowych. W ramach nadchodzącego cyklu LIGO-Virgo, który będzie zawierał również obserwacje wykonane przez japońską sondę KAGRA, detektory przeszły serię ulepszeń, aby jeszcze lepiej wyłapać zdarzenia związane z falami grawitacyjnymi, a tym samym zderzenia gwiazd neutronowych.
Jedną z nowych funkcji, które należy zastosować przy następnym biegu, jest system wczesnego ostrzegania. Specjalistyczne oprogramowanie będzie uzupełnieniem głównego oprogramowania, które było dotychczas rutynowo wykorzystywane do wykrywania wszystkich zdarzeń związanych z falami grawitacyjnymi.
Główne oprogramowanie szuka słabych sygnałów fal grawitacyjnych ukrytych w zaszumionych danych LIGO, dopasowując dane do biblioteki znanych sygnałów lub kształtów fal, które reprezentują różne typy zdarzeń, takie jak złączenia czarnych dziur z gwiazdami neutronowymi. Jeżeli dopasowanie zostanie znalezione i potwierdzone, do społeczności astronomicznej wysyłane jest powiadomienie. Oprogramowanie wczesnego ostrzegania działa w ten sam sposób, ale wykorzystuje tylko skrócone wersje przebiegów, dzięki czemu może działać szybciej.
Gdy gwiazdy neutronowe wirują wokół siebie, orbitują coraz szybciej i emitują fale grawitacyjne o coraz wyższych częstotliwościach. Ostateczny taniec między gwiazdami neutronowymi trwa dłużej niż między czarnymi dziurami, do kilku minut w pasmach częstotliwości, na które LIGO i Virgo mają więcej czasu na uchwycenie wstępu do dramatycznego finału gwiazd. W przypadku GW170817, para łączących się gwiazd neutronowych spędziła sześć minut w zakresach częstotliwości wykrywanych przez LIGO-Virgo, zanim oba ciała ostatecznie się połączyły.
Astronomowie mają nadzieję, że oprogramowanie wczesnego wykrywania ostatecznie złapie połączenie gwiazd neutronowych do jednej minuty przed zderzeniem. Jeżeli tak, da to teleskopom na całym świecie więcej czasu na znalezienie i zbadanie eksplozji.
Dla astronomów jedna minuta to bardzo dużo czasu. Gregg Hallinan, profesor astronomii z Caltech, dyrektor Owens Valley Radio Observatory w Caltech, powiedział, że wczesne ostrzeżenia o zbliżającym się połączeniu gwiazd neutronowych będą szczególnie ważne dla promieniowania gamma, rentgenowskiego i radioteleskopów, ponieważ zderzenia mogą być widoczne na tych długościach fal na samym początku. Matryce teleskopów, takie jak Long Wavelength Array w Owens Valley Radio Observatory (OVRO-LWA) i przyszły 200-antenowy Deep Synoptic Array (DSA-2000), mogą być w stanie wykryć rozbłysk radiowy, który według teorii może wystąpić w momencie łączenia się gwiazd neutronowych, a w niektórych modelach podczas końcowego wdechu przed połączeniem – powiedział Hallinan. To nauczy nas o bezpośrednim otoczeniu masowo niszczycielskich zdarzeniach. Co więcej, zobaczenie błysku radiowego może również pomóc nam szybko ustalić lokalizację złączenia.
Shreya Anand, absolwentka Caltech, mówi, że wczesne obserwacje złączeń w zakresie optycznym i UV mogą ujawnić nowe informacje na temat ich ewolucji, takie jak powstawanie pierwiastków w szybko poruszającej się materii wyrzucanej z fuzji.
Wyniki badań zostały opublikowane w The Astrophysical Journal Letters.
Więcej informacji:
- Can Cosmic Collisions Be Predicted Before They Happen?
- An Early-warning System for Electromagnetic Follow-up of Gravitational-wave Events
Źródło: Caltech
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Na ilustracji: Wizja artystyczna fal grawitacyjnych powstałych ze zderzenia gwiazd neutronowych. Źródło: Caltech
