为什么中子星合并发射的引力波和光不是同时到达地球的？

相对论中有一条重要规则，据我们所知，所有物体都必须遵守这条规则。如果你在太空真空中旅行时没有静止质量，你绝对会被迫以光速行进。这对于所有无质量粒子（如光子和胶子）都是完全正确的，对于质量相对于其动能而言很小的粒子（如中微子）来说也大致正确，对于引力波也应该完全正确。即使引力本质上不是量子的，引力的速度也应该恰好等于光速。至少，如果我们当前的物理定律是正确的，这是必要的。

然而，当我们看到第一颗中子星与中子星在引力波和光中合并时，引力波以可测量的显著优势提前到达——几乎提前了 2 秒。这该如何解释？即使信号来自 1.3 亿光年之外，距离也不重要；因为如果信号是同时产生的，并且它们以相同的速度传播并沿着相同的路径传播，那么它们也应该同时到达。

最初这是一个谜，围绕它存在一些相互竞争的观点，现在我们收集了有关这些事件和宇宙其余部分的足够多的数据，因此有一种解释脱颖而出。以下是我们认为光的到达相对于测量到的引力波信号“延迟”的原因。

上图是快速伽马射线爆发的图示，长期以来人们认为这种爆发是由中子星合并引起的。它们周围的富含气体的环境可能会延迟信号的到达，但产生类似爆发的机制也可能导致信号发射延迟。

2017 年 8 月 17 日，来自 1.3 亿光年外事件的信号终于传到了地球。在遥远的椭圆星系（或透镜状星系）NGC 4993的某处，两颗中子星被锁定在引力舞蹈中，它们以接近光速的速度相互绕行。在它们绕行的过程中，它们的质量和相对于所经过的弯曲空间的运动扭曲了空间结构。

每当物体加速穿过弯曲空间时，它们都会发射出所有基于光学的望远镜都看不到的微量不可见辐射：引力辐射，而不是电磁辐射。

这些引力波表现为时空结构中的涟漪，将能量带离系统并导致它们之间的轨道衰减。随着时间的推移，两颗中子星开始旋转，引力波将轨道能量带走，导致这两个物体越来越靠近。在关键时刻，这两个恒星残骸如此接近彼此，以至于它们物理接触，随后发生了有史以来最壮观的科学发现之一。

这幅四幅插图描绘了两颗中子星的旋进和合并，展示了随着合并的临近，引力波的振幅和频率如何同时增加。在合并的关键时刻，信号会达到峰值，然后随着黑洞的形成而消失在事件视界后面。在此过程中，可能会发射或不发射可见光和其他电磁光。

这两颗恒星一发生碰撞，引力波信号就突然终止了。 LIGO 和 Virgo 探测器所看到的一切都是从螺旋阶段到那一刻，之后引力波完全沉寂。 根据我们最好的理论模型，这是两颗中子星螺旋并合并在一起，很可能导致一个惊人的最终结果——黑洞的形成。

在1.7 秒后，引力波信号停止，第一个电磁（光）信号到达——它以一次巨大的伽马射线爆发形式出现。通过结合引力波和电磁数据，我们能够比以往任何引力波事件更好地确定这次事件的位置，它发生的具体宿主星系是 NGC 4993。

在接下来的几周内，其他波长的光也开始到达，近 100 个专业天文台监测到了这次中子星合并的壮观余辉。

对于 2017 年的中子星-中子星合并，电磁对应物立即被清晰地看到，后续观测（如这张哈勃图像）能够看到该事件的余辉和残留物。

一方面，这是了不起的。我们经历了一次距离我们约 1.3 亿光年的事件，距离如此之远，以至于光需要 1.3 亿年才能从发生合并的星系传播到我们的眼睛。当合并发生时，地球是一个截然不同的地方。长有羽毛的鸟类只存在了 2000 万年；胎盘哺乳动物存在了 1000 万年。第一批开花植物才刚刚开始出现，最大的恐龙还没有出现。

从那时到现在，这一事件产生的光和引力波一直在宇宙中穿行，以它们唯一的速度——光速和引力速度经过 1.3 亿年的旅程，最终到达地球。首先是来自旋进阶段的引力波到达，将引力波探测器上的镜子移动了一个非常小的量——不到单个质子大小的万分之一。然后，就在引力波信号结束后 1.7 秒，来自该事件的第一束光也到达了地球。

宇宙中能量极高过程——伽马射线爆发的示意图。当两颗中子星合并时，就会出现这种爆发，在 GW170817 的引力波信号停止后仅 1.7 秒就探测到了一次伽马射线爆发。

这立刻为我们提供了有史以来最令人印象深刻的引力速度物理测量结果：它与光速的误差小于千万亿分之一 (10¹⁵)，因为 1.3 亿年需要大约四千万亿秒，而它们到达的时间相差不到两秒。在此之前，我们有充分的理论依据知道引力速度应该等于光速，但只有间接约束，即两者的等效性在 0.2% 左右。仅凭一次观察，我们的约束就提高了 12 个数量级以上，这是有史以来单次测量中最重要的飞跃。

那么，这是否意味着引力的速度和光速并不完全相同呢？也许要么是引力的速度比真空中的光速 c 稍快，要么是光本身的速度实际上可能比 c 稍慢，就好像它有一个微小但不为零的静止质量？

如果是这样，那将是一个非凡的发现，但可能性极低。如果这是真的，不同能量（和波长）的光将以不同的速度传播，而这与观察结果不一致。

光子的波长越长，能量越低。但所有光子，无论波长/能量如何，都以相同的速度移动。覆盖特定距离所需的波长数量可能会发生变化，但光的传播时间是相同的。

简单地说，如果光具有非零的静止质量，并且该质量足够大，可以解释为什么引力波在穿越宇宙 1.3 亿光年后比光早 1.7 秒到达，那么我们观察到的无线电波传播速度就会比光速慢得多，与我们已经观察到的不一致。

但没关系。在物理学中，我们可以考虑观察到的谜题的所有可能解释。如果我们做得正确，那么我们将能够考虑每一个可以理解的解释，将数据与每一个解释进行比较，除了一个正确答案之外，其他所有解释都会被排除。挑战在于找到适合我们观察的所有方面的正确解释，并且它仍然可以有力地预测应该出现哪些信号以及实际出现哪些信号。

我们认为我们已经做到了！

关键在于思考合并的物体、其中的物理原理以及它们可能产生的信号。我们已经对引力波进行了研究，详细描述了引力波在吸积阶段是如何产生的，以及在合并发生后如何停止。现在，是时候更深入地思考一下光了。

伽马射线暴（如艺术家描绘的这种暴）被认为源自发生在宿主星系密集区域内的一次灾难性事件，该区域可能被巨大的物质外壳、球体或晕所包围。该物质将具有该介质固有的光速，而穿过该物质的单个粒子的速度虽然总是比真空中的光速慢，但可能比该介质中的光速快。在千新星的情况下，光在穿过一对合并中子星周围的物质时会减慢速度。

在两颗中子星接触之前，并没有产生“额外”的光。它们只是像中子星一样发光：微弱，高温，但表面积很小，用我们目前的技术在 1.3 亿光年外完全无法探测到。中子星不像黑洞；它们不是点状的。相反，它们是致密的物体，通常直径在 20 到 40 公里之间，但密度比原子核大。它们被称为中子星，因为它们的成分中约 90% 是中子，外缘有其他原子核和一些电子。

当两颗中子星相撞时，可能会产生三种结果。它们包括：

1. 你可以形成另一颗中子星，如果你的总质量小于太阳质量的 2.5 倍，你就会形成另一颗中子星，

2. 如果你的总质量在 2.5 到 2.8 个太阳质量之间（取决于中子星的自旋），那么你可以短暂地形成一颗新的中子星，然后在不到一秒的时间内坍缩成黑洞，

3. 或者如果你的总质量大于 2.8 个太阳质量，那么你就可以直接形成一个黑洞，而不需要形成中间中子星。

我们知道，当两颗中子星合并时，正如这里模拟的那样，它们可以产生伽马射线爆发喷流以及其他电磁现象。但也许，超过一定的质量阈值，在第二个面板中两颗恒星碰撞的地方会形成一个黑洞，然后所有额外的物质和能量都会被捕获，没有逃逸信号。

从这次事件产生的引力波信号（正式编号为GW170817）中，我们知道这次事件属于第二类：合并和合并后的信号持续了几百毫秒，然后在一瞬间完全消失，这表明在事件视界形成并吞噬整个中子星之前，它短暂地形成了一颗中子星。

但无论如何，光还是出来了。下一个问题很简单，那就是，光是怎么出来的？

我们观察到的光是如何产生的？同样，我们想到了三种可能性。

1. 中子星一旦接触，其表面就会发生相应过程。

2. 只有在物质被喷射后，它才会与周围的物质碰撞并产生光。

3. 或者来自中子星的内部，那里的反应产生的能量只有传播到外部才会被发射。

在每种情况下，引力波一旦产生信号就会不受干扰地传播，但光需要额外的时间才能传播出去。

在合并的最后时刻，两颗中子星不仅会发射引力波，还会引发一场在整个电磁波谱中回荡的灾难性爆炸。它是会形成一颗稳定的中子星或黑洞（如 2019 年的合并），还是会形成一颗随后变成黑洞的中子星（如 2017 年的合并），将取决于前身中子星的总质量及其总自旋等因素。

如果是第一种情况，中子星合并后一接触就会发光，那么光会立即发射，因此必须通过中子星周围的环境来延迟。该环境必须富含物质，因为每颗快速移动的中子星，其表面都有带电粒子和强磁场，必然会剥离并喷射出另一颗中子星的物质。

如果是第二种或第三种情况，中子星合并时会产生光，但这种光只有在经过一定时间后才会发射：要么是喷出的物质撞击恒星周围的物质，要么是中子星内部产生的光到达表面。在这两种情况下，“延迟发射”和“周围物质减缓到达”也有可能都在起作用。

以上任何一种情况都可以轻松解释光相对于引力波延迟 1.7 秒的原因。但在 2019 年 4 月 25 日，我们在引力波中看到了另一起中子星-中子星合并，其质量比 GW170817 更大。没有发射任何类型的光，这不利于第一种情况。看起来中子星不会在接触后立即产生光。相反，光的发射发生在引力波发射之后。

中子星合并时，如果不能立即形成黑洞，就应该会形成一个电磁对应体，因为这些物体内部会发生内部反应，从而向外喷出光和粒子。然而，如果直接形成黑洞，由于缺乏向外的力和压力，可能会导致完全坍缩，宇宙外部的观察者无法看到任何光或物质。

通过引力波发射，我们仅直接探测到两次中子星合并，这证明了引力波天文学的科学已经变得非常精确，我们可以重建我们所拥有的一切。当你加上 2017 年事件的电磁后续观测（也产生了光）时，我们已经明确表明，我们宇宙中最重的元素——包括金、铂、碘和铀，很大一部分都来自这些中子星合并。

但也许并非所有的中子星合并都是如此；也许只有那些不会立即形成黑洞的中子星合并才会如此。

这些元素的产生需要中子星内部的物质或反应，因此也需要千新星爆炸产生的光。光只有在引力波信号结束后才会产生，而且可能因为必须穿过恒星周围的物质而进一步延迟。这就是为什么，尽管光和引力在真空中都以光速传播，但我们看到的光直到引力波信号停止后近 2 秒才到达。随着我们收集和观察更多此类事件，我们将能够一劳永逸地确认和完善这一图像！