【博科园-科学科普】8月17日在经历了1.3亿年的旅程后，两颗中子星合并产生的引力波信号终于到达了地球。当两颗恒星相撞时，信号突然停止，然后什么也没有。虽然这些恒星的“尸体”直径大概只有20公里，但它们的速度大约是光速的30%，但没有看到任何直接结果。
两颗合并的中子星概念图。涟漪的时空网格代表着从碰撞中发出的引力波，而窄的光束则是在引力波(被天文学家发现的伽马射线暴)后几秒钟射出的伽马射线。图片版权：NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet
仅仅1.7秒后第一个信号到达了——以伽马射线的形式。为什么会发生这种延迟？这是一个难以置信的问题！讨论1.7秒的意义，在最近的中子星事件中，GW与伽马射线爆发之间的差异。来看看我们看到了什么，并试着弄清楚为什么会有这种延迟？
中子星在合并时，几乎同时表现出引力波和电磁信号。但合并的细节相当令人费解，因为理论模型与我们所观察到的并不完全相符。图片版权：Dana Berry / Skyworks Digital, Inc.
当中子星吸入并合并时，引力波信号变得越来越强。与合并的黑洞不同，在核心处没有视界和奇点。对于中子星，有一个“坚硬”的表面，主要是由中子(90%)和其他原子核(以及一些电子)在边缘形成的。
当这两个表面相互碰撞时，预计会发生严重的、失控的核反应并导致：
1、大量物质被排出，很多倍于木星的质量
2、一个中心塌塌的物体的形成，可能是一个黑洞，对这些特定的质量来说仅仅是几百毫秒
3、然后是物体周围物体的加速度和弹射
我们知道，当两颗中子星合并时，就像在这里模拟的那样会产生伽马射线暴流，以及其他电磁现象。但是为什么伽马射线爆炸发生在中子星的引力合并后的1.7秒内，还没有确定的答案。图片版权：NASA / Albert Einstein Institute / Zuse Institute Berlin / M. Koppitz and L. Rezzolla
多亏了超过70个天文望远镜和卫星，从伽马射线一直到射电波长，这就是元素周期表中最重要元素的来源。一个快速旋转的中子星很可能在核心部分形成一小段时间，然后坍缩成一个黑洞。这一合并的第一个电磁信号——高能伽马射线——在引力波信号结束后仅1.7秒到达。在光传播的1.3亿年间，这意味着引力波和电磁信号以相同的速度飞行。
在合并的最后时刻，两颗中子星不只是发射引力波，而是在电磁波谱上发生的灾难性爆炸。光和引力波的到达时间的差异使我们能够了解很多关于宇宙的知识。图片版权：University of Warwick / Mark Garlick
但是为什么伽玛射线之后才到达呢？为什么它不与引力波同时到达呢？有两种可能的情况：
1、在中子星表面第一次接触后的1.7秒内，伽马射线才被释放出来
2、伽马射线几乎立即产生，并被延迟，因为要通过周围的物质
这两种可能性都包含了一个警告，即真正的答案可能是两个因素的组合，或者是一种不太可能的替代方法，涉及到奇异的物理(比如引力波和电磁波的速度略有不同)，让我们来研究一下这两种情况如何发生。
在两个中子星的吸入和合并过程中，应该释放出大量的能量，以及重元素、引力波和电磁信号，如图所示。图片版权：NASA / JPL
延迟发射伽马射线——当两个中子星相撞，我们知道它产生伽马射线。这是20多年来最重要的理论——短伽玛射线爆发的起源与中子星相撞，这一图片被GW170817事件所证实。
但是伽马射线产生：
1、在中子星表面，
2、从喷出的物质与周围物质的碰撞
3、或在中子星的核心
如果它是后两种选择之一，那么这些伽马射线应该被推迟。中子星需要时间才能合并，以喷射物质，使物质与周围物质发生碰撞，然后是高能物质发射伽马射线。如果物质离中子星有很大的距离，比如几十或几十万公里远，那就很简单地解释了延迟。
另外，如果伽马射线不是在表面产生，而是在碰撞中子星的内部，预计会有一个延迟，因为光需要时间传播到中子星的表面，然后才能释放出来。引力波不会因穿过致密物质而延迟，但光线是。这将是非常类似于我们在1987年观察到的超新星，在中微子(不通过)推迟了四个小时才到达第一光信号之前，即光了它需要通过大量的问题。任何一种解释都可能导致伽玛射线的发射延迟。
一个快速伽马暴的例子，被认为是由中子星合并而来的。周围富含气体的环境可能会推迟信号的到达。图片：ESO
直接发射，但延迟到达伽马射线：这是另一个主要的场景。即使伽马射线立即被释放，它们仍然需要穿过中子星周围物质丰富的环境。它必须是物质丰富的，因为中子星在太空中快速移动(接近光速的速度)，随着它们产生的强磁场，物质必然会被弹射，并被剥离，因为它们会吸入和融合。这种舞蹈已经持续了很长一段时间，所以在它到达我们的眼睛之前，光线需要经过大量的物质。是否有足够的物质导致这1.7秒的延迟？可能会有，这是另一个主要的选择。
Vela脉冲星，就像所有的脉冲星一样，它周围的气体和物质非常普遍，在GW170817的中子星周围，可能是延迟的原因。图片版权：NASA/CXC/PSU/G.Pavlov et al
我们将到达答案涉及检查的结合更多的事件在不同的质量范围：低于2.5倍太阳质量的综合质量(应该得到一个稳定的中子星)，2.5到3倍太阳质量(像我们看到的事件（会得到一个临时的中子星，变成一个黑洞)3倍以上太阳质量(直接进入黑洞)和测量光信号。还将通过更快地捕捉灵感阶段来学习更多，并且能够在合并之前指向预期的源。随着LIGO /处女座和其他引力波探测器上网，变得更加敏感。
超新星1987a的残余，位于大麦哲伦云里大约有16.5万光年远。中微子到达的时间比第一个光信号告诉我们的时间要多，这一事实告诉我们，光在恒星层中传播的时间比它对中微子传播速度的影响要大得多，故中微子的传播速度与光速是不可区分的。图片版权：Noel Carboni & the ESA/ESO/NASA Photoshop FITS Liberator
奇异的想法，像不同的引力和光的速度，完全没有必要解释这个观察。涉及传统物理的多种不同的思路可能会成功地描述为什么会出现一个小的1.7秒的延迟。虽然引力波只是简单地通过物质的未摄动，光与它的电磁相互作用，而这可能会使世界上的一切不同。然而与超新星不同的是，产生伽马射线暴的物体(中子星)是微小的，所以无论解决方案在哪里，它都可能涉及到在极短的时间尺度上理解一个灾难性的事件。虽然理论家竞相追赶，但数据已经在这里了.下一个事件可能会改变世界的认知。
知识：科学无国界，博科园-科学科普
作者：Ethan Siegel（天体物理学家）
来自：Forbes science
编译：光量子
审校：博科园
发表于 2017-12-6 07:35
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