两颗中子星的合并挑战了暗能量理论

中子星碰撞的新观测对现有理论提出了挑战

两颗合并中子星的艺术家插图。起伏的时空网格代表了碰撞后的引力波,而狭窄的光束则显示了引力波几秒钟后爆发的伽马射线。从合并的恒星中喷出的漩涡状物质云也被描绘出来。这些云发出可见光和其他波长的光。(来源:美国国家科学基金会/LIGO/索诺玛州立大学/A。Simonnet)

当科学家们记录下时空的波动,随后在两秒钟内由全球几十架望远镜观测到的相关的光爆发时,他们第一次目睹了两颗中子星的爆炸碰撞和合并。

8月17日观测到的强烈宇宙学事件在地球上也产生了其他的反响:它排除了一类修正引力的暗能量理论,并对一大类理论提出了挑战。

推动宇宙加速膨胀的暗能量是物理学中最大的谜团之一。它约占宇宙总质量和能量的68%,起着某种反重力的作用,但我们还没有一个很好的解释。简单地说,暗能量的作用是将物质彼此推开,而重力的作用是将物质拉到一起。

中子星合并产生引力波——空间和时间结构中的扭曲变形,就像一块抛来的石头在池塘中激起涟漪——它在空间中传播了约1.3亿光年,几乎与从这次合并中射出的高能光同时到达地球。

重力波特征是由一个称为利戈以及室女座,费米伽马射线太空望远镜观测到了第一次强烈的光爆发。

几乎同时到达的时间是对暗能量和重力理论的一个非常重要的检验。

“我们的研究成果在阐明暗能量的本质方面取得了重大进展,”米格尔Zumalacárregui说。米格尔Zumalacárregui是伯克利宇宙学物理中心的理论物理学家,该中心隶属于能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校。

“最简单的理论流传了下来,”他说。“关键是时机。”


这一模拟显示了两颗中子星合并的最后阶段。模拟中显示的合并在现实中发生得更快,不到百分之一秒,并产生强大的引力波。这说明了LIGO-Virgo引力波网络探测到的合并事件GW170817的一种可能情况。合并的结果可能是一颗中子星或一颗恒星黑洞,后者如图所示。(来源:w . Kastaun / T。河村建夫/ B。Giacomazzo / R。Ciolfi / A。Endrizzi)

他和Jose María Ezquiaga(伯克利宇宙学物理中心的客座博士研究员)参与了这项研究,研究结果发表在12月18日的《物理评论快报》上。

阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)在广义相对论(general相对论)和其他一些从这个模型衍生出来的理论中引入的一个已有100年历史的“宇宙常数”理论仍然是可行的竞争者,因为它们提出暗能量在空间和时间中都是一个常数:引力波和光波受到暗能量的影响是一样的,因此在太空中传播的速度是一样的。

“最受欢迎的解释是这个宇宙常数,”他说。“这很简单。”

有一些复杂而奇异的理论也能经得起恒星合并测量的检验。例如,大质量引力——一种将质量分配给一个假设的基本粒子(称为引力子)的引力理论——如果引力子的质量很小,仍然有一点可能性。

然而,其他一些理论认为,引力波的到来将与恒星合并的光信号的到来在时间上相隔更长的时间——长达数百万年——不能解释所看到的情况,必须加以修改或废弃。

中子星碰撞的新观测对现有理论提出了挑战

8月17日观测到的中子星合并的数据不支持一系列理论,包括许多基于五倍伽利略宇宙学的理论。这张图显示了大约300个这样的伽利略变体,绿色阴影的那些不受观察到的合并事件的青睐。(来源:伯克利实验室,物理评论快报)

该研究指出,一类被称为标量张量理论的理论尤其受到中子星合并观测的挑战,其中包括爱因斯坦·埃瑟(Einstein-Aether)、蒙德·利克(MOND-like)(与修正牛顿动力学有关)、伽利略(Galileon)和霍恩德斯基(Horndeski)等理论。

Zumalacárregui表示,经过调整,一些受到挑战的模型可以经受住这次明星合并的最新考验,尽管它们在这个过程中“失去了一些简单性”。

Zumalacárregui是去年加入宇宙中心的,是专门研究引力和暗能量的Marie Skłodowska-Curie全球研究员。

2016年2月,他宣布称为LIGO(激光干涉仪引力波观测站)的两套引力波探测器捕获了第一次确认的引力波测量结果,此后,他开始研究引力波是否能够提供对暗能量的有用测试。科学家们相信这些波是在两个黑洞合并形成一个更大的黑洞的过程中产生的。

但这些类型的事件不会产生相关的光爆发。Zumalacárregui说:“你需要两者——不仅仅是引力波来帮助测试引力和暗能量理论。”

他与Ezquiaga等人于2017年4月发表的另一项研究探讨了重力波以不同于光速传播的理论条件。

这一研究领域的另一个含义是,通过从这些和可能的其他宇宙事件中收集引力波,有可能使用它们的特征信号作为“标准警报”来测量宇宙的膨胀率。

这类似于研究人员如何使用物体的类似光信号——包括被称为Ia型超新星的爆炸恒星和被称为造父变星的脉动恒星——作为“标准蜡烛”来测量它们的距离。

宇宙学家使用这些测量方法的组合来建立一个所谓的距离阶梯,用来测量一个给定的物体离地球有多远,但仍有一些未解决的差异,可能是由于空间尘埃的存在和计算上的缺陷。

从产生引力波和光的事件中收集更多数据也有助于解决哈勃常数的不同测量问题——哈勃常数是衡量宇宙膨胀率的常用标准。

Zumalacárregui指出,通过超新星距离测量校准的哈勃速率与通过其他宇宙学观测获得的哈勃速率是不同的,所以发现更多像中子星合并这样的标准信号可能会改善距离测量。

他说,8月份中子星合并事件提供了一个意想不到但非常受欢迎的机会。

“引力波是距离阶梯测量的一个非常独立的确认或反驳,”他说未来几年我真的很兴奋。至少这些非标准暗能量模型中的一些可以解释哈勃速率的差异。

他补充说:“也许我们低估了一些事件,或者一些我们需要修改宇宙标准宇宙学的事情。”“如果这个标准成立,我们将需要全新的、难以通过实验验证的理论思想,比如多重宇宙——多元宇宙。然而,如果这个标准失败了,我们将有更多的实验途径来测试这些想法。”

新的仪器和巡天也将上线,旨在提高我们对暗能量的理解,包括伯克利实验室领导的暗能量光谱仪器项目,该项目计划于2019年开始运行。科学家们正在研究其他现象,比如由引力透镜效应(一种由引力引起的效应,使来自远处物体的光在近距离物体周围发生弯曲和扭曲)引起的空间错觉,这也将有助于进行更精确的测量。

祖马拉卡里圭说:“这可能会改变我们对宇宙的看法以及我们在宇宙中的位置。”这将需要新的想法。”

研究人员还隶属于Nordita、瑞典KTH皇家理工学院和瑞典斯德哥尔摩大学;法国巴黎萨克雷大学;以及马德里自治大学。这项工作得到了西班牙国家研究局、马德里自治大学和Marie Skłodowska-Curie全球奖学金项目的支持。

出版:Jose María Ezquiaga和Miguel Zumalacárregui,《GW170817之后的暗能量:死胡同和前方的路》,物理评论快报,2017;doi: 10.1103 / PhysRevLett.119.251304

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