问伊森:为什么中子星合并时光比重力波晚1.7秒到达?



艺术家认为是两个中子星的合并。 时空晶格的畸变表示在碰撞过程中发出的引力波,而窄射线是在引力波后几秒钟内发射的伽马辐射射流(天文学家将它们视为伽马射线的闪光)

经过1.3亿年的历程,8月17日,来自两个中子星的引力波形式的信号在聚变的最后阶段以螺旋形相互靠近, 到达了地球 。 两颗恒星的表面碰撞后,信号突然结束,并保持沉默。 尽管这些直径仅约20 km的恒星残骸以大约30%的光速移动,但在碰撞后我们没有看到任何东西。 仅仅1.7 s之后,第一个信号到达:伽马射线形式的光。 延迟来自何处? 读者提出的一个很好的问题:
让我们讨论最后一次中子星事件中引力波到达时间与伽马射线爆发之间相差1.7 s的重要性。
让我们看看所看到的,并尝试了解此延迟的来源。


聚变过程中的中子星几乎可以同时发射引力波和电磁信号。 但是合并的细节相当模糊,理论模型与观察结果并不完全一致。

在合并之前的中子星接近期间,引力波变得更强。 与黑洞融合不同,中心没有事件视界,也没有奇异点。 中子星具有固体表面,其中90%由中子组成,并且表面上其他原子(和电子)的原子核占10%。 据预测,在两个这样的表面碰撞中,应发生不受控制的核反应,从而导致:

  • 释放出大量物质,质量比木星大许多倍。
  • 如果我们谈论所描述的事件中涉及的质量,则仅在几百毫秒后才形成一个中心坍塌的物体(很可能是黑洞)的形成。
  • 加速和弹出融合对象周围的材料。


我们知道,当两个中子星合并时,如图所示,它们的模拟如图所示,它们发出伽马射线射流并引起其他电磁现象。 但是,为什么在引力合并之后的1.7秒发生伽马射线爆炸的问题尚未给出明确的答案。

得益于70多个望远镜和卫星对从伽马射线辐射到无线电波的光谱的观察,我们现在知道,正是在这样的过程中,元素周期表的大部分重元素才得以生成。 我们知道,由于合并,极有可能出现了一个快速旋转的中子星,该星在一秒钟后坍塌成黑洞。 我们知道,合并产生的第一个电磁信号-高能伽马射线-在重力信号结束后1.7秒到达。 在130 Ma的时间尺度上,这意味着重力波和光速相等,误差为10 -15


在合并的最后时刻,两个中子星不仅发射出引力波,而且还发生了灾难性爆炸,该爆炸响应了整个电磁波谱。 光波和引力波的到达差异使我们对宇宙有了很多了解。

但是,为什么伽玛射线迟到了? 为什么它们不与引力波同时出现? 有两种可能的选择:

  1. 首次接触中子星表面后1.7秒发出了伽马射线。
  2. 伽马射线几乎立即发出,但由于周围物质的通过而延迟了。

问题在于,真正的答案可能是这两种因素的结合,或者是一个不太可能的替代方案,其中包括奇异的物理学(重力波和电磁波的速度略有差异)。 让我们看看如何同时使用这两个选项。


在螺旋运动和两个中子星合并期间,应产生大量能量,以及重元素,引力波和电磁信号的出现

延迟伽玛射线的出现:当两个中子星碰撞时,它们发出伽玛射线。 在过去20年中,关于天空中伽马射线短时闪光的主要理论是中子星的碰撞-当观察到GW170817事件时,这一理论得到了惊人的证实。 但是,伽马射线到底在哪里出现?

  • 在中子星表面。
  • 由于丢弃物与周围物质的碰撞。
  • 在中子星的核中。

如果最后两个选项中的任何一个为true,则伽马射线应已延迟。 聚变,物质喷射,与周围物质的碰撞,伽马射线发射高能物质-所有这些都需要时间。 如果物质位于离中子星很远的距离,例如数万或数十万公里,这将非常简单地解释这种延迟。


如果伽玛射线没有出现在表面上,而是在碰撞的中子星内部,则还应该有一个延迟,因为光将花费一些时间来克服恒星的厚度并到达表面。 引力波在穿过致密物质时不会延迟,而光会延迟。 这与我们在1987年对超新星的观测非常相似,当时中微子(不因物质通过而延迟)在第一个光信号之前四小时到达,因为光被大量物质延迟了。 这些解释中的任何一种都会导致伽马射线延迟。


伽马射线快速闪烁,其原因长期以来一直被认为是中子星的融合。 富含气体的环境可能会延迟信号的到达。

即时发射,但延迟到达:另一个基本选择。 即使伽玛射线是由水钻发出的,它们也需要穿过物质丰富的中子星环境。 它将充满物质,因为中子星的运动速度非常快,而且它们发出的磁场很大,因此这些材料在会聚和合并过程中肯定会被扔到太空中。 他们的联合舞持续了很长时间,所以周围应该聚集很多东西,光线必须先穿过它们才能到达我们的眼睛。 那里是否有足够的材料可以保持光线1.7秒? 可能很多-这是另一个主要选择。


像所有脉冲星一样,“帆”中的脉冲星就是中子星尸体的一个例子。 通常,它以这种方式被气体和物质包围,参与GW170817的中子星周围的物质可能是造成光延迟的原因。

为了得到正确的答案,有必要研究不同质量组合的事件变体:总质量不超过2.5太阳(因此得到一个稳定的中子星); 从2.5到3个太阳质量(就像我们看到的那样-中子星暂时出现,然后变成黑洞); 超过3个太阳质量(立即出现黑洞); 以及测量光信号。 如果我们提前确定螺旋进场阶段的开始,并且可以在合并之前的某个时间将工具引导至所需点,则可以了解更多信息。 随着LIGO /处女座和其他引力波探测器的获得并变得越来越灵敏,这些行动对我们来说将越来越好。


位于大麦哲伦星云中的1987n年超新星的遗迹,距离165,000光年。 中微子到达第一个光信号之前许多小时就到了,这一事实告诉我们,光穿透超新星层所花费的时间要比与光速无法区分的中微子的速度有关。

异乎寻常的想法,例如重力和光速的不同,完全不需要解释这一发现。 1.7 s的延迟可以用几种不脱离传统物理学的想法来解释。 引力波只是简单地穿过物质而没有阻力,光与之相互作用就成为电磁波,这可以导致完全不同的结果。 与超新星相比,产生中子星的伽马射线很小,因此,要完全而准确地描述这种效应,有必要很好地了解这种灾难如何在很短的时间间隔内发生。 赛车理论家试图了解正在发生的事情,我们已经有了数据。 下一次此类事件可以改变一切。

伊桑·西格尔Ethan Siegel) -天体物理学家,科学普及者,《爆炸的开始》的作者! 他写了《超越银河》( Beyond the Galaxy )和《追踪学:星际迷航的科学》( Treknology )一书。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN411185/


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