光和引力波没有同时的到达

    2017年，一个千新星跨宇宙发送了光和引力波。在这里地球上，有一个1.7秒的信号到达延迟。为什么？

STARTS WITH A BANG — OCTOBER 26, 2023

Ethan Siegel

 

当两颗中子星合并时，它们总是产生引力波信号。然而，依靠各种因素，质量是尤其重要的，这些中子星合并也可能或不可能产生一个电磁信号。当它们这样做时，它不会与引力波同时的到达，而是稍更晚。Credit: National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

关键要点

    在全宇宙中最迷人但也最罕见的事件之一是两颗中子星的向内螺旋和合并，这有时导致一个千新星事件。

    2017年，这样一个事件发生了，在地球上被光敏天文台如美国宇航局的费米卫星以及引力波探测器激光干涉仪引力波天文台和处女座检测到了信号。

    即便光和引力波都被这一事件产生，并且它们都以相同的速度旅行，但引力波在第一束光被看到之前停止到达1.7秒。科学调查为什么的原因。

    在相对论中有一条重要的规则，据我们所知所有物体都必须服从。如果随你没有静止质量穿过真空旅行，你绝对的被迫以光速旅行。这对所有无质量的粒子如光子和胶子完全是正确的，对质量与它们的动能相比是微小的粒子如中微子近似的是真的，对引力波也应该刚好是真的。即使引力内在的本性不是量子的，引力的速度应该刚好等于光速。至少，如果我们目前的物理定律是正确的这是必要的。

    然而，当我们在引力波和光中看到第一次中子星-中子星合并时，引力波首先到达了一个实在的、可测量的余量：几乎将近2秒。解释是什么？即便这个信号来自1.3亿光年之外，但距离应该不要紧，如果信号被同时产生，并且它们以相同的速度旅行并遵循相同的路径，那么它们也应该已经在同一时间到达。

    最初是一个围绕它有一些相互竞争的想法的谜题，现在我们已经收集了关于这些事件和一种从其余部分突出的解释余下的宇宙的足够数据。这里是为什么我们认为光的到达相对于被测量的引力波信号被“延迟”的故事。

一个快速伽马射线暴的插图，长期以来一直被认为从中子星合并发生。它们周围的富含气体的环境可能延迟信号的到达，但产生它的机制也可能造成一个信号发射的延迟。光和引力都应该以相同的速度穿过真空的空间。Credit: European Southern Observatory (ESO)

    2017年8月17日，发生在1.3亿光年之外的事件的信号终于到达了这里地球上。在遥远的壳椭圆（或透镜）星系NGC 4993内的某个地方，两颗中子星已经被锁定在一个引力舞蹈中，在那里它们以达到光速的很大一部分的速度彼此环绕。随它们环绕，由于它们的质量和相对于它们旅行穿过的弯曲空间的运动它们扭曲了空间的织造。

    每当质量穿过弯曲的空间加速时，它们都会发射对所有基于光的望远镜是看不见的微小量的看不见的辐射：引力的而不是电磁的辐射。

    这些引力波像空时织造中的涟漪一样行为，从系统中带走能量并造成它们的彼此环绕衰减。随着时间流逝，两颗中子星开始来向内螺旋，引力波带走轨道能量，造成这两个天体越来越靠近一起。在一个关键时刻，这两颗恒星残骸彼此如此接近螺旋以至于它们在物理上接触了，随之而来的是所有时代的最壮观的科学发现之一。

这幅两颗中子星向内螺旋和合并的四幅图显示引力波的振幅和频率如何随着合并变得迫在眉睫增加。在合并的关键时刻，信号尖峰，然后随一个黑洞被形成消失在事件地平线后面。光学光和其他电磁光可能或不可能被作为此过程的部分发射。Credit: NASA/GSFC/Dana Berry

    这两颗恒星一旦相撞，引力波信号就戛然而止。激光干涉仪引力波天文台和处女座探测器看到的是来自向内螺旋相起直到那一刻为止，然后是完全的引力波沉默。按照我们最好的理论模型，这是两颗中子星向内螺旋并一起合并，可能造成一个显著的最终结果：一个黑洞的形成。

    但然后它发生了。1.7秒后，在引力波信号停止后，第一个电磁（光）信号到达了：伽马射线，它以一个巨大的爆发来到了。从引力波和电磁数据的结合，我们能够比从来任何引力波事件来更好定下这一事件的位置：到其中它发生了的特定宿主星系NGC 4993。

    在接下来的几周里，光也开始以其他波长到达，就像近100个专业天文台监测的这次中子星合并的壮观余辉一样。

对2017年的中子星 - 中子星合并，立即的看到了一个强健的电磁对应物，后续观测例如哈勃图像能够来看这个事件的余辉和残余物。对GW190425，这是在引力波中看到的唯一中子星 - 中子星合并，从未没有观察到过类似的电磁信号。Credit: NASA/STScI/P. Blanchard / E. Berger / CfA

    一方面，这是显著的。我们在大约1.3亿光年之外有过一个事件发生：距离足够远以至于光从它对我们眼睛发生的星系的地方用了1.3亿年来旅行。回到当合并发生时，地球是一个截然不同的地方。有羽毛的鸟已经只存在了2000万年，胎盘哺乳动物1000万年。第一批开花植物刚刚开始来浮现，最大的恐龙还没有进入存在：某些直到地球未来的3000万年为止不会发生的东西。

    对所有那个时间，从那时直到现在，来自这一事件的光和引力波正在穿过宇宙旅行，相对的以它们唯一能达到的速度------光速和引力速度，直到它们在1.3亿年的旅程后到达地球。来自螺向内螺旋相的引力波首先到达，移动我们的引力波探测器上的镜子一个令人难以置信的小量：不到单个质子大小的万分之一。然后，仅引力波信号结束1.7秒后，来自事件的第一束光也到达了。

宇宙中一个非常高能量过程的描画：一个伽马射线暴。当两颗中子星合并时这些爆发能发生，一个被在来自GW170817的引力波信号停止后1.7秒被检测到。Credit: ESO / A. Roquette

    立即的，这给了我们从来最令人印象深刻的引力速度的物理测量：它等于光速，优于一千万亿分之一（10^15），因为它大约要用四千万亿秒来构成1.3亿年，而且它们彼此分开不到两秒到达了。在此之前，我们有很好的理论理由知道引力的速度应该等于光速，但仅间接的两者相当于在0.2%内左右的约束。通过一次观察，对我们的约束大于12个数量级以上的改善，代表从所有时间的一个单一测量最显着的飞跃。

    那么，这是否意味着引力和光速并不完全相等呢？也许要么引力比真空中的光速c稍更快移动速度要么光本身实际上可能比c更慢一点点移动，就好像它有一个微小但非零的静止质量一样？

    这会是一个超常的启示，但一个高度不可能的。如果这是真的，不同能量（和波长）的光将以不同的速度旅行，而需要为真的水平是太大不能与观测是一致的。

一个光子的波长越长，它的能量就越低。但所有的光子无论波长/能量如何都以相同的速度移动：光速。需要来覆盖一定特定距离的波长的数可能变化，但对两者的光旅行时间是相同的。Credit: NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet

    以更简单的话，如果光有过一个非零静止质量，并且这个质量是足够重代来解释为什么引力波在宇宙中旅行1.3亿光年后比光更早到达1.7秒，那么我们应该观测无线电波比光速远更慢旅行：太慢不能与我们已经观察到的一致。

    但那行的。在物理学中，对一个观察到的谜题我们没有任何问题考虑所有可能的解释。如果我们正确的做我们的工作，那么我们将能够来考虑每一个可测深度的解释，相对每一个的它们将数据举起，除了一个所有的它们将被排除。挑战是来发现首先我们观测的各个方面的正确解释，并且仍然强大的预测针对实际显示出的信号应该出现什么信号！

    我们认为我们有。

    关键是来考虑正在一起合并的天体，起作用的物理学以及它们可能来产生什么信号。我们已经为引力波做了这个，详细说明它们如何正在向内螺旋相产生的和一旦合并发生停止的。现在，是时候更深入和思考关于光了。

一个伽马射线暴，就像艺术家在这里渲染中描绘的那样，被认为源自一个发生在宿主星系密集区域内的灾难性事件，可能的被一个大的外壳、球体或物质的晕包围。那个物质将有一个对那个介质内在的光速，并且单个旅行穿过它的粒子虽然总是比真空中的光速更慢，但可能比在该介质中的光速更快。在一个千新星的例子中，光通过围绕一对合并的中子星的物质减慢下来。Credit: Gemini Observatory/AURA; Lynette Cook

    直到这两颗中子星接触起来之前，没有产生“额外”的光。它们只是像中子星做的一样照耀：微弱的，在高温下，但有微小的表面积，用我们目前的技术从1.3亿光年之外完全的不可探测到。中子星不像黑洞，它们不是点一样的。相反，它们是紧凑天体 - 通常在20到40公里跨度之间 - 但比一个原子核更密。它们被称为中子星，因为它们的成分约90%为中子，有其他原子核和几个在外边缘的电子。

    当两颗中子星相撞时，能造成三种可能性。它们是：

    你能形成另一颗中子星，如果你的总质量小于太阳质量的2.5倍，你将做的，

    你能短暂地形成一颗新的中子星，这然后在一秒钟内坍塌成一个黑洞，如果你的总质量是在2.5到2.8个太阳质量之间（取决于中子星的自旋），

    或者你能直接的形成一个黑洞，没有中间中子星，如果你的总质量大于2.8个太阳质量。

我们知道当两颗中子星合并时，正如这里仿真的那样，它们能创造伽马射线暴射喷射以及其他电磁现象。但也许，在某个质量阈值以上形成了一个黑洞，在那里两颗恒星在第二块面板中相撞，然后所有额外的物质和能量都被捕获，没有逃逸的信号。Credit: NASA/AEI/ZIB/M. Koppitz and L. Rezzolla

    从这次正式名称为GW170817事件发生的引力波信号，我们知道该事件落入第二类：合并和后合并的信号都在一个瞬间完全消失之前存在了几百毫秒，这表明一颗中子星在一个事件地平线形成并吞没整个东西之前形成了很短暂的时间。

    但尽管如此，光仍然熄灭了。下一个问题是，简单的说，怎样呢？

    我们观测到的光怎样被产生？再一次，我们可以想到三种可能性。

    一旦中子星接触，立即的那个过程发生在它们的表面上。

    仅在物质被甩出后，在那里它与周围的任何物质料碰撞并从那个产生光。

    或者来自中子星的内部，在那里反应产生一旦它传播到外部仅被发射的能量。

    在每种场景中，一旦信号被产生，引力波不受干扰的旅行，但光要用一个额外的时间来出来。

在合并的最后时刻，两颗中子星不仅发射引力波，而且发射一个灾难性的跨电磁波谱回响的爆炸。它是形成一个稳定的中子星还是一个黑洞（如2019年的合并），还是然后变成一个黑洞的中子星（如2017年的合并），将依靠前身中子星的总质量和它们的结合的自旋等因素。Credit: University of Warwick/Mark Garlick

    如果是第一种选择，并且中子星合并一旦它们接触产生光，光被立即的发射，因此必须被穿过中子星周围的环境延迟。这种环境一定是富含物质的，因为每一颗快速移动的中子星在它们的表面上都有带电粒子和强烈的磁场，一定要从另一颗中子星剥和甩物质。

    如果是第二种或第三种选择，合并的中子星从它们的合并产生光，但这种光仅在一定量的时间已经过去后被发射：要么是甩射的物质来撞进星周物质，要么是在中子星内部产生的光来到达表面。在这两种情况下， “延迟发射”和“被周围物质减缓到达”都在起作用也是有可能的。

    这些场景中的任何一种都可以很容易的解释光相对于引力波的1.7s延迟到达。但在2019年4月25日，我们在引力波中看到了又一次中子星-中子星合并，它比GW170817远更大质量。没有发射出任何类型的光，不利于第一种场景。看起来像中子星一旦它们接触不产生光。相反，光的发射来自引力波的发射之后。

中子星当它们合并时，如果它们不立即创造一个黑洞，应该创造一个电磁对应物，因为光和粒子会由于在这些天体内部的内部反应将被驱逐。然而，如果一个黑洞直接的形成，缺乏一个向外的力和压力可能造成完全坍塌，在那里对宇宙中的外部观察者毕竟没有光或物质逃逸。Credit: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science

    只有两次通过引力波的发射的直接探测到合并的中子星，这是对引力波天文学的科学已经变成我们能重建我们所有的一切多么难以置信的精确的一个证明。当你加上来自2017年也产生光的事件的电磁后续观测时，我们已经明确的表明我们宇宙中最重的元素中有很大一部分------包括金、铂、碘和铀------来自这些中子星合并。

    但也许不来自所有中子星合并，也许它只是不立即的形成一个黑洞的。

    无论甩射的物质还是在中子星内部的反应都需要来产生这些元素，因此，与一个千新星爆炸相关的光。这种光仅在引力波信号已经结束后产生，并且可能被穿过星周物质进一步延迟。这就是为什么，即便光和引力都在真空中刚好以光速精确地旅行，我们看到的光直到引力波信号停止近2秒后为止到达的。随着我们收集和观测更多这些事件，我们将能够一劳永逸的确认和完善这张图片！

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/light-gravitational-waves-arrive/