17. avgusta 2017. oko 70 teleskopa kolektivno je okrenulo svoj pogled na vatreni sudar dvije mrtve zvijezde koji se dogodio milionima svetlosnih godina od nas. Teleskopi su posmatrali događaj koji se odvija u duginim talasnim dužinama, od radio talasa preko vidljive svetlosti do gama zraka najviše energije. Dok se par ultra gustih neutronskih zvezda sudarao jedna sa drugom, bacali su krhotine napolje koje su svetlele danima, nedeljama i mesecima. Neki od posmatranih teleskopa uočili su zlato, platinu i uranijum u žarkoj eksploziji, potvrđujući da je većina teških elemenata u našem univerzumu iskovana u ovoj vrsti kosmičkog sudara.
Da je to kraj priče, ovaj kosmički događaj bi bio izuzetan sam po sebi, ali su tri druga detektora bila prisutna na astronomskom skupu tog dana — dva koja su pripadala LIGO (Gravitaciono-talasnoj opservatoriji laserskog interferometra) i jedan pripadao evropskoj Devici. LIGO i Devica ne posmatraju svetlosne talase, već gravitacione talase, ili drhtanje u prostoru i vremenu koje stvaraju masivni objekti koji ubrzavaju. Kako se neutronske zvezde spiralno spajaju, one stvaraju gravitacione talase pre nego što se spoje i eksplodiraju sa svetlošću. Mreža gravitacionih talasa LIGO–Devica je upozorila desetine teleskopa širom sveta da se nešto zapanjujuće dešava na nebu iznad. Bez LIGO-a i Device, 17. avgust 2017. bio bi tipičan dan u astronomiji.
Od tog vremena, mreža LIGO–Virgo je otkrila samo još jedno spajanje neutronskih zvezda; u tom slučaju, koji se dogodio 2019. godine, teleskopi zasnovani na svetlosti nisu bili u mogućnosti da posmatraju događaj. (LIGO-Virgo je takođe otkrio desetine binarnih spajanja crnih rupa, ali se ne očekuje da će oni proizvoditi svetlost u većini slučajeva.) S obzirom da je LIGO-Djevica planirana da se vrati ovog maja, astronomi se uzbuđeno pripremaju za eksplozivnija spajanja neutronskih zvezda. Jedno goruće pitanje koje se postavlja u glavama nekih članova LIGO tima je: Mogu li da otkriju ove događaje ranije — možda čak i pre nego što se mrtve zvezde sudare?
U tom cilju, istraživači razvijaju softver za rano upozoravanje kako bi upozorili astronome na spajanje neutronskih zvezda do nekoliko sekundi ili čak čitavog minuta pre udara.
„To je trka sa vremenom“, kaže Rajan Megi, postdoktorski naučnik sa Kalteha koji zajedno sa Surabhi Sachdevom, profesorom na Georgia Tech-u, predvodi razvoj softvera za rano upozoravanje. „Nedostaje nam dragoceno vreme da shvatimo šta se dešava pre i odmah posle ovih spajanja“, kaže on.
Jednom kada LIGO otkrije verovatan sudar neutronske zvezde, počinje trka za teleskopima na zemlji iu svemiru kako bi pratili i odredili njegovu lokaciju. Mreža LIGO–Virgo, koja se sastoji od tri detektora gravitacionih talasa, pomaže da se suzi približna lokacija na kojoj se dešava vatromet, dok su teleskopi zasnovani na svetlosti potrebni da bi se identifikovala tačna galaksija u kojoj se nalaze neutronske zvezde.
Za događaj od 17. avgusta, poznat kao GV170817, većina teleskopa zasnovanih na svetlosti nije mogla da počne da traži izvor događaja gravitacionog talasa tek devet sati kasnije. Tim LIGO–Virgo poslao je svoje prvo upozorenje astronomskoj zajednici 40 minuta nakon sudara neutronske zvezde i prve mape neba, navodeći grubu lokaciju događaja, 4,5 sata nakon događaja.
Ali do tog vremena, oblast interesovanja na južnom nebu je pala ispod horizonta i van vidokruga južnih teleskopa koji su mogli da ga vide. Astronomi bi morali sa nestrpljenjem da sačekaju devet sati nakon događaja da počnu da češljaju nebo. Otprilike 11 sati nakon sudara neutronske zvezde, nekoliko zemaljskih optičkih teleskopa je konačno utvrdilo lokaciju izvora talasa: galaksiju nazvanu NGC 4993, koja je udaljena oko 130 miliona svetlosnih godina.
Sa 11 sati koje nedostaje u priči o tome kako se neutronske zvezde udaraju jedna u drugu i zasijavaju univerzum teškim elementima, astronomi željno iščekuju još neutronskih zvezda. Za predstojeću vožnju LIGO–Virgo, koja će takođe uključiti zapažanja japanske KAGRA, detektori su prošli niz nadogradnji kako bi bili još bolji u hvatanju događaja gravitacionih talasa, a time i spajanja neutronskih zvezda. Tim očekuje da će detektovati četiri do 10 spajanja neutronskih zvezda u sledećem ciklusu i čak 100 u petom posmatranju trenutne napredne detektorske mreže, koja je planirana da počne 2027. Buduća testiranja sa naprednijim detektorima planirana su za 2030-te.
Jedna nova karakteristika koja će se koristiti pri sledećem pokretanju je sistem ranog upozorenja. Specijalizovani softver će dopuniti glavni softver koji se rutinski koristio za otkrivanje svih događaja gravitacionih talasa do sada.
Glavni softver, koji se takođe naziva cevovod za pretragu, traži slabe signale gravitacionih talasa zakopane u bučnim LIGO podacima tako što upoređuje podatke sa bibliotekom poznatih signala ili talasnih oblika, koji predstavljaju različite tipove događaja, kao što su crna rupa i neutronska zvezda spajanja. Ako se podudaranje pronađe i potvrdi, upozorenje se šalje astronomskoj zajednici. Softver za rano upozoravanje radi na isti način, ali koristi samo skraćene verzije talasnih oblika kako bi mogao da radi brže.
„Detektori konstantno uzimaju nove podatke tokom posmatranja, a mi upoređujemo naše talasne oblike sa podacima kako pristižu. Ako koristimo skraćene talasne oblike, ne moramo da čekamo da se prikupi toliko podataka da bismo obavili poređenje“, kaže Magee. „Komprom je u tome što signal mora biti dovoljno glasan da bi se detektovao korišćenjem skraćenih talasnih oblika. Važno je i dalje voditi glavne cevovode pored cevovoda za rano upozorenje da biste pokupili slabije signale i dobili najbolje konačne lokalizacije.“ Magee, Sachdev i njihove kolege rade na cevovodu za rano upozoravanje pod nazivom GSTLAL; dodatni cevovodi za rano upozoravanje za LIGO–Virgo su takođe u radovima.
Dok se neutronske zvezde spiralno vrte jedna oko druge kao par plesača na ledu, one kruže sve brže i brže i emituju gravitacione talase sve viših frekvencija. Poslednji ples između neutronskih zvezda traje duže od plesa između crnih rupa, do nekoliko minuta u frekventnim opsezima na koje je LIGO najosetljiviji, a to daje LIGO i Devici više vremena da uhvate uvod u dramatično finale zvezda. U slučaju GV170817, par mešanih neutronskih zvezda proveo je šest minuta na frekvencijskim opsezima koje je detektovao LIGO-Devica pre nego što su se dva tela na kraju spojila.
Skraćeni talasni oblici LIGO softvera za rano upozoravanje su dizajnirani da uhvate isečke ovog poslednjeg plesa; u stvari, istraživači misle da će softver na kraju uhvatiti spajanje neutronskih zvezda do jednog minuta pre sudara. Ako je tako, to će teleskopima širom sveta dati više vremena da pronađu i prouče eksplozije.
„U sledećoj vožnji, možda bismo mogli da uhvatimo jedno od spajanja neutronskih zvezda 10 sekundi pre vremena“, kaže Sachdev. „Do pete vožnje, verujemo da možemo da uhvatimo jednog sa punim minutom upozorenja.
Za astronome, jedan minut je mnogo vremena. Profesor astronomije na Caltech-u Gregg Hallinan, direktor Kaltehove Radio opservatorije Ovens Vallei, kaže da će rana upozorenja o neminovnom spajanju neutronskih zvijezda biti posebno važna za gama-zrake, rendgenske i radio teleskope jer sudari mogu puknuti na ovim talasnim dužinama. na samom početku.
„Nizovi radio teleskopa kao što je niz dugih talasnih dužina u Radio opservatoriji u dolini Ovens (OVRO-LVA) i budući duboki sinoptički niz od 2.000 antena Caltech-a (DSA-2000) mogli bi da otkriju radio bljesak za koji se pretpostavlja da će se pojaviti u to vreme neutronske zvezde se spajaju iu nekim modelima tokom završne inspiracije pre spajanja“, kaže Halinan. „To će nas naučiti o neposrednom okruženju ovih masovno destruktivnih događaja. Štaviše, gledanje radio blica bi nam takođe moglo pomoći da brzo odredimo lokaciju spajanja.“
Shreia Anand, diplomirani student sa Caltech-a, kaže da rana optička i ultraljubičasta posmatranja spajanja mogu otkriti nove informacije o njihovoj evoluciji, kao što je način na koji se elementi formiraju u materijalu koji se brzo kreće izbačenim iz sudara.
Anand, koji radi u grupi profesora astronomije na Caltech-u Mansija Kaslivala (MS ’07, Ph.D. ’11), sama je zauzeta razvojem softvera, ne za sisteme ranog upozoravanja, već da bi pretražila nebo u potrazi za spajanjem neutronskih zvezda i drugim kosmički događaji kada se primi upozorenje od LIGO-a. Kaslivalova grupa trenutno razvija softver za Zvicki Transient Faciliti (ZTF) i predstojeći Vide-field INfrared Transient EkploreR (VINTER), dva instrumenta za istraživanje zasnovana na Caltech-ovoj opservatoriji Palomar. ZTF i VINTER mogu pratiti LIGO upozorenje da pronađu i posmatraju spajanje neutronskih zvezda. Anand razvija softver koji bi ubrzao ovu pretragu.
„Naši algoritmi otkrivaju kako da najbolje pokriju različite delove neba i koliko dugo da osiguraju maksimalnu šansu za pronalaženje mete“, kaže ona. „Nedostaje nam zanimljiva fizika u ranim fazama spajanja. Softver za rano upozoravanje iz LIGO tima i softver za naše pretrage teleskopa će ubrzati naše šanse da rano pronađemo događaj. Ovo će nam na kraju dati potpuniju sliku onoga što se dešava“.
Studija ranog upozorenja koju je vodio Magee pojavila se u The Astrophisical Journal Letters 2021. Studija koju je vodio Sachdev takođe se pojavila u The Astrophisical Journal Letters 2020.
