جستجوی هم‌زمان برای یافتن منابع مشترک امواج گرانشی و نوترینوها

0 0 0 0

توسط آزاده کیوانی , 21 ژانویه 2019

شکل ۱. نقشه‌های آسمانی شبیه‌سازی‌شده برای رخداد مشترک موج گرانشی و نوترینو با تعداد ۱، ۲، یا ۳ آشکارساز امواج گرانشی.

یکی از زمینه‌های تحقیقاتی به‌روز در دنیای اخترفیزیک، بررسی هم‌زمان امواج و ذرات مختلفی است که توسط تلسکوپ‌ها و رصدخانه‌های زمینی و فضایی گوناگون مشاهده می‌شوند. به این زمینه‌ی تحقیقاتی، اخترفیزیک پیام‌رسان‌های چندگانه^۱ گفته می‌شود که قبلا درباره‌شان در این مقاله نوشتیم. مطالعات چندگانه‌ی این پیام‌رسان‌ها (ذرات و امواج) اخیرا به دو کشف مهم منجر شده‌اند. یکی از آن‌ها مربوط به رصد امواج گرانشی‌ است که در ۱۷ آگوست ۲۰۱۷ مشاهده شد که ناشی از ادغام دو ستاره‌ی نوترونی بود (GW170817). دو ثانیه بعد از رصد این موج گرانشی، تلسکوپ فضایی فرمی^۲ فوران پرتوگامایی را از همان نقطه‌ی آسمان مشاهده کرد که منجر به شروع کمپین گسترده‌ای از رصدها شد. مشاهده‌ی تابش در طیف‌های مختلف الکترومغناطیسی (از محدوده‌ی رادیویی تا گاما) منجر به شناخت دقیق منبع اخترفیزیکی این رخداد شد. رخداد اخترفیزیکی پیام‌رسان چندگانه‌ی دیگری نیز در ۲۲ سپتامبر ۲۰۱۷ با مشاهده‌ی یک نوترینوی پرانرژی در رصدخانه‌ی آیس‌کیوب^۳ آغاز شد و مجددا در داده‌های تلسکوپ فرمی، تابش زیادی از پرتوگاما رصد شد. مشاهدات گسترده‌ در طیف‌های مختلف نشان دادند که منبع مربوطه یک بلازار در حال فوران بوده که تابش گسترده‌ای در طیف‌های مختلف ساطع کرده است. هرچند به قطع نمی‌توان گفت که نوترینوی مشاهده‌شده در این بلازار تولید شده است اما این اولین مشاهده‌ی‌ یک کاندید منبع اخترفیزیکی برای نوترینوها است. درباره‌ی این رخدادها در این مقالات گذشته بیشتر نوشتیم: ۱، ۲، ۳، ۴، و ۵.

رخداد اول، یعنی ادغام دو ستاره‌ی نوترونی و تولید فوران پرتوگامای سریع، دانش ما را درباره‌ی فرآیندها و حالت‌های فیزیکی ستاره‌های نوترونی افزایش داده است. رخداد دوم تا حدی مکانسیم‌های تولید ذرات بنیادی و واکنش‌های مختلف هادرونی و لپتونی در بلازارها را توضیح می‌دهد و برخی مدل‌های نظری واکنش‌ها را رد می‌کند. در رخداد اول، امواج گرانشی به همراه امواج الکترومغناطیسی و در رخداد دوم، نوترینوها به همراه امواج الکترومغناطیسی مشاهده شدند. نکته‌ی جالب توجه این است که تاکنون منبع اخترفیزیکی‌ای پیدا نشده است که امواج گرانشی و نوترینوها را هم‌زمان ساطع کند. منابع مختلفی از لحاظ نظری وجود دارند که قابلیت تولید هم‌زمان نوترینوهای پرانرژی و امواج گرانشی را دارند، از جمله ابرنواخترهای فروپاشی هسته‌ای، فوران‌های پرتوگاما، ادغام ستاره‌های نوترونی، ادغام ستاره‌ی نوترونی-سیاهچاله و غیره. این منابع، جریان‌های خروجی نسبیتی تولید می‌کنند که طی واکنش‌های هادرونی (مثلا در برخورد پروتون با فوتون)، قابلیت تولید نوترینوهای پرانرژی را دارند. نوترینوهای پرانرژی هم‌چنین می‌توانند در بازه‌ی ۰.۱ تا ۱۰ روز بعد از مشاهده‌ی امواج گرانشی (و مشاهدات نوترینوهای کم‌انرژی‌تر) ساطع‌شده از یک ابرنواختر کهکشانی تولید شوند. جستجوی هم‌زمان و سریع در داده‌های رصدشده‌ی امواج گرانشی و نوترینوها علاوه بر آشکارسازی این منابع، امکان آشکارسازی منابع ناشناخته و جدیدی را نیز به وجود می‌آورند. در این مقاله، محققان، الگوریتم جستجو برای منابع مشترک نوترینوها و امواج گرانشی را با استفاده از داده‌های رصدخانه‌ی آیس‌کیوب و لایگو^۴/ویرگو^۵ توضیح می‌دهند. به طور خاص، این الگوریتم، در دومین اجرای مشاهداتی لایگو (از نوامبر ۲۰۱۶ تا آگوست ۲۰۱۷) و ویرگو (آگوست ۲۰۱۷) که به O2 معروف است، استفاده شده و قرار است نسخه‌ی بهینه‌شده‌ی آن در مرحله‌ی جدید پروژه‌ی لایگو (O3) استفاده شود. در دوران اجرای O2، رخداد مشترکی رصد نشد و حدود جدیدی برای شار دریافتی از منابع فرضی به دست آمدند.

این الگوریتم با عنوان «الگوریتم تقریبا هم‌زمان برای اخترفیزیک پیام‌رسان‌های چندگانه» یا به اختصار LLAMA با دریافت یک کاندید موج گرانشی از لایگو/ویرگو شروع به کار کرده و به دنبال نوترینو در بازه‌ی ۱۰۰۰ ثانیه‌ای حول زمان آشکارسازی موج گرانشی، می‌گردد. اگر یک یا چند نوترینو در بازه‌ی زمانی موردنظر یافت شود، آنالیزی شروع می‌شود که با استفاده از پارامترهای هریک از داده‌ها، احتمال آمدن این دو رخداد از منبع اخترفیزیکی مشترک را حساب می‌کند. اطلاعات مربوط به رخداد مشترک به سرعت در اختیار رصدخانه‌های دیگر قرار می‌گیرد که آن‌ها بتوانند به سرعت رصدهای الکترومغناطیسی‌شان را آغاز کنند و به دنبال تابش‌های الکترومغناطیسی مرتبط از همان منبع بگردند. داشتن اطلاعات در طیف‌های مختلف می‌تواند به شناخت ما راجع به فیزیک و اخترفیزیک منبع کمک کند. از آن‌جایی که دقت زاویه‌ای نوترینوها بسیار بهتر از امواج گرانشی است، یافتن رخداد مشترک به محدودکردن مکانی رصدهای الکترومغناطیسی کمک شایانی می‌کند. اکثر چنین تلسکوپ‌هایی زاویه‌ی دید نسبتا کوچکی دارند و به طور هم‌زمان مساحت زاویه‌ای کمی را می‌توانند رصد کنند. شکل ۱، نقشه‌های آسمانی شبیه‌سازی‌شده را برای رخداد مشترک موج گرانشی و نوترینو نشان می‌دهد. شکل بالا مربوط به رصد موج گرانشی با تنها یک آشکارساز لایگو است. شکل وسط نشان می‌دهد که اگر موج گرانشی با دو آشکارساز لایگو رصد شود، دقت زاویه‌ای موج گرانشی در آسمان تا چه اندازه بالا می‌رود. شکل پایین مربوط به رصد موج گرانشی با هردو آشکارساز لایگو به اضافه‌ی آشکارساز ویرگو است که دقت را بسیار بیشتر بالا می‌برد. تمام شکل‌ها مربوط به موج گرانشی حاصل از ادغام دو ستاره‌ی نوترونی با جرم اولیه‌ی ۱.۴ برابر جرم خورشید هستند. نقاط سبزرنگ، نمایشگر نوترینوها هستند که تنها برای وضوح بهتر با دایره‌هایی محیطی نشان داده شده‌اند. نوترینو شماره‌ی ۱، یک داده‌ی ساختگی است که به منظور نمایش نقشه‌ی آسمان برای یک رخداد مشترک، شبیه‌سازی شده است.

شکل ۲. جدول زمانی الگوریتم از زمان دریافت داده‌های لایگو/ویرگو و آیس‌کیوب تا توزیع اطلاعات مربوط به رخداد مشترک. پایین جدول، زنجیره‌ی کاملی از تمام اتفاق‌ها را نشان می‌دهد. بخش مرتبط به هر اتفاق یا محصولات داده‌ها با رنگ مخصوص مشخص شده است. زمان دریافت سیگنال در زمین با t0 نشان داده شده است. بخش بالایی جدول، جزییات مراحل الگوریتم LLAMA را نشان می‌دهد. زمانی که الگوریتم شروع به اجرا می‌کند با t1 نشان داده شده است.

شکل ۲ جدول زمانی الگوریتم را از زمان دریافت داده‌های لایگو/ویرگو و آیس‌کیوب تا توزیع اطلاعات مربوط به رخداد مشترک نشان می‌دهد. به طور متوسط در دوران O2 این بازه حدود نیم ساعت طول می‌کشیده است که دلیل اصلی آن تایید آنالیزها توسط محققان در لایگو بوده است. در دوران O3 این زمان به طور قابل توجهی کوتاهتر خواهد شد. در بخش مربوط به الگوریتم، همه چیز بسیار سریع‌تر از این بازه‌ی زمانی انجام می‌شود و طولانی‌ترین بخش آن، مربوط به محاسبه‌ی احتمال واقعی‌بودن سیگنال رخداد مشترک و تهیه‌ی نقشه‌ی آسمان رخداد مشترک است که به طور متوسط حدود ۵ دقیقه طول می‌کشد. پارامترهای مختلف مربوط به محاسبه‌ی احتمال، عبارتند از زمان و جهت رسیدن نوترینو، خطای زاویه‌ای، تابع توزیع زاویه‌ای، نرخ اخطار اشتباه، تابع احتمالی در هر مربع درجه در نقشه‌ی آسمان برای موج گرانشی و غیره. جزییات محاسبات در مقاله‌ی اصلی (لینک در پایان مقاله) آمده است. کد مرتبط این الگوریتم در پایتان نوشته شده است. هرچند که در زمان O2 رخداد مشترکی یافت نشد، ولی موقعیت ارزشمندی را برای پیاده‌سازی، آزمایش، و تصحیح‌کردن کد و الگوریتم LLAMA به وجود آورد که امکان جستجوی هم‌زمان امواج گرانشی، نوترینوهای پرانرژی، فوران‌های پرتوگاما، و باقی پیام‌رسان‌های چندگانه را در آینده فراهم می‌کند.