Binary neutron stars in the next-generation era: Multi-messenger detection prospects and constraints on the equation of state, mass distribution, and cosmology
本文预测，像爱因斯坦望远镜和宇宙探测器这样的下一代引力波天文台将使每年实现数百次多信使双中子星探测，从而通过联合层级贝叶斯推断，对中子星状态方程、质量分布以及宇宙学参数进行精确约束。
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想象一下，宇宙是一个巨大的、宇宙级的管弦乐团。几十年来，我们一直用耳朵聆听它的音乐，捕捉来自恒星和星系的微光。但最近，我们开始用一种新的感官去聆听：触觉。当黑洞或中子星这类大质量天体相互碰撞时，它们会使空间和时间的织物产生涟漪，从而产生“引力波”。这些就像是宇宙的低音音符，在万物之中震动。但有时，这些碰撞也会在光影中尖叫——迸发出伽马射线，闪烁着无线电波，并闪现出可见的光芒。这就是“多信使天文学”：在聆听低音的同时，注视着光影。
这个故事的主角是双中子星。把中子星想象成一个城市大小的物质球，其密度之高，以至于一茶匙的物质就会重达十亿吨。当这两个重量级选手共舞并合并时，它们会创造一场壮观的爆炸，称为“千新星”（kilonova）。这一事件是一个宇宙实验室。它告诉我们物质在极端压力下是如何表现的（“状态方程”），这些恒星通常有多重（“质量分布”），甚至有助于我们测量宇宙膨胀的速度（“哈勃常数”）。一个大问题是：在未来，我们会捕捉到多少场这样的宇宙音乐会？它们又将揭示什么样的秘密？
宇宙水晶球：预测下一代恒星表演
一支科学家团队构建了一个超级智能的计算机模拟系统，旨在窥探天文学的未来。他们正看向“下一代时代”，届时我们将拥有全新的、超灵敏的探测器，即爱因斯坦望远镜（ET）和宇宙探索者（CE）。这些机器就像是从廉价收音机升级到了高清环绕声系统，能够听到来自数十亿光年外碰撞恒星的最微弱耳语。
研究人员想知道两个主要问题：我们究竟能通过“耳朵”（引力波）和“眼睛”（光）同时观测到多少次这类恒星碰撞？以及一旦观测到，我们能对宇宙了解多少？
伟大的宇宙狩猎：我们能捕捉到多少？
为了回答这个问题，团队在计算机中创建了两个不同的“模拟”宇宙。在第一个版本中，中子星的重量都非常相似，聚集在一个标准尺寸附近（“窄分布”）。在另一个版本中，恒星的重量则呈现出狂野的混合，从轻到重不等（“宽分布”）。随后，他们模拟了使用不同探测器设置的一整年的观测情况。
他们的水晶球显示了以下结果：
- 独奏表演（仅限爱因斯坦望远镜）： 如果我们只有爱因斯坦望远镜，他们预计每年会有 40 到 100 次 成功的匹配，即在观测到引力波的同时也捕捉到了同一事件的光闪（千新星）。
- 强力组合（爱因斯坦望远镜 + 宇宙探索者）： 如果我们将爱因斯坦望远镜与宇宙探索者联手，数字将显著跳升。他们预计每年将发现 200 到 500 个 多信使事件。
- 余辉： 即使错过了最初的闪光，我们仍可能在几年后利用射电望远镜捕捉到“余辉”——即爆炸逐渐消逝的光芒。根据设置的不同，他们可能会发现 70 到 350 个 这类后期信号。
团队还指出，恒星的类型至关重要。如果恒星大多是标准的较轻类型，我们会看到更多明亮的闪光。如果恒星是重轻混合的，许多恒星会立即坍缩成黑洞，而黑洞要暗得多，也更难观测。因此，“窄”分布的恒星宇宙为我们提供了更多的观测目标。
解锁秘密：我们能学到什么？
发现这些事件仅仅是第一步。真正的魔力在于科学家利用这些观测结果来解决宇宙谜题。他们进行了一项大规模的统计分析，将数据视为一个巨大的拼图，每一块碎片都有助于完善整体图像。
- 中子星的大小： 一个最大的谜团是中子星到底有多大。团队发现，在他们的最佳方案下（同时使用爱因斯坦望远镜和宇宙探索者），他们可以将一颗标准 1.4 倍太阳质量中子星的半径精确到 0.2 公里 以内。对于这样一个本质上是固体核物质球的天体来说，这简直是不可思年代精。
- 宇宙的速度： 他们还研究了哈勃常数，该常数衡量宇宙膨胀的速度。通过结合引力波数据与宿主星系的距离，他们预计可以将这种膨胀率的测量精度提升至 1 km s⁻¹ Mpc⁻¹。这是在解决“哈勃张力”（目前科学家关于宇宙增长确切速度存在的争议）方面迈出的巨大一步。
- 恒星的质量： 他们能够恢复质量分布的总体形状，弄清楚恒星主要是重量相同还是多种混合。然而，他们发现如果恒星坍缩得太快，这种“宽”混合模式就很难被完美地确定。
细则说明：我们尚不知道的事
科学家们谨慎地指出，这些是基于模拟的预测，而非最终测量值。他们的结果取决于几个假设：
- 模型： 他们假设了恒星爆炸的方式以及光传播的方式。如果真实的物理机制不同，可探测到的事件数量可能会发生变化。
- 光变曲线： 有趣的是，他们发现实际的光变曲线（随时间变化的亮度）对于确定恒星大小（状态方程）并没有太大帮助。引力波几乎承担了所有的重任。然而，光变曲线在通过修正我们观察爆炸的角度方面，对测量宇宙膨胀确实很有帮助。
- “瞬时坍缩”： 一个主要的确定性因素是恒星瞬间坍缩成黑洞的频率。如果这种情况经常发生，我们得到的明亮闪光就会减少。
底线结论
这篇论文并不声称已经解决了宇宙的奥秘。相反，它是一份路线图。它表明，当我们的下一代探测器投入使用时，我们将迎来一个数据宝库。我们每年可能会观测到数百个新的宇宙事件，这能为我们提供统计学上的力量，去以前所未有的精度最终测量中子星的大小和宇宙的膨胀率。这是一个承诺：未来的天文学将会是响亮的、明亮的，并且充满答案的。
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