离奇的超光速运动，究竟怎么回事？

本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：不二北斗，原文标题：《7倍光速！？》，头图来自：Elizabeth Wheatley， STScl

2017年的天文学盛事  

2017年8月17日，在穿越1.4亿光年的距离之后，两颗中子星并合辐射出的引力波信号终于抵达地球，并被地面上的引力波探测器记录。这个事件被称为GW170817，是首次发现由双中子星并合辐射出的引力波。

双中子星并合。（图/University of Warwick/Mark Garlick）

就在探测到引力波的1.7秒后，NASA的费米空间望远镜在同一源头探测到了伽玛射线暴，这是首次探测到引力波的电磁对应体。之后，世界各地的天文学家利用地面和空间共70个天文台对这一事件进行了观测，并且都探测到了相应的电磁波（包括伽马射线、X射线、可见光和射电波）信号。毫无疑问，这是天文学界前所未有的一场盛事。

几年过去了，天文学家仍然在分析数据，试图描绘出有关这次并合事件的完整画面。在一项最新发表在《自然》杂志的研究中，天文学家结合了哈勃空间望远镜、盖亚卫星，以及多个射电望远镜的数据，以极高的精度测量了双中子星并合产生的离奇的“超光速”运动。

离奇的超光速运动  

GW170817所释放的能量与超新星爆发相当，这使得天文学家推断双中子星最终应该坍缩形成了一个黑洞。这一推测与哈勃空间望远镜的观测结果相吻合。

当黑洞形成后，其强大的引力开始吸引周边的物质。这些物质形成一个快速旋转的吸积盘盘，并产生了从两极向外喷射的喷流。高速运行的喷流撞击到这对已被摧毁的中子星周围的物质上。

双中子星碰撞的艺术构想图。碰撞爆发出了相当于超新星爆发的能量，在碰撞的余辉中，一股能量束以接近光速的速度被喷射出来。（图/Elizabeth Wheatley， STScl）

天文学家利用哈勃空间望远镜来测量被喷流撞击的物质团的运动，他们发现，当喷流从爆炸源飞驰而出时，物质团会向外移动，就像一片叶子会卷入花园软管喷出的水流之中一样。

想要测量这个物质团的运动轨迹，需要结合从哈勃空间望远镜和射电望远镜收集到的精度极高的测量结果才能做到。令人惊讶的是，哈勃空间望远镜的测量结果显示，喷流以光速的7倍的视速度运动；射电观测结果显示，喷流的视速度后来似乎减慢到了光速的4倍。

无论是7倍光速还是4倍光速，可以肯定的是，这种“超光速”是一种光学错觉！在现实中，没有任何东西的速度能超过光速。这种罕见到令人难以置信的现象，被称为视超光速运动，当粒子以非常接近光速的速度运动时，就会发生这种现象。

在中子星并合之后，最初爆炸产生的喷出物会在并合形成的黑洞周围形成一个壳。从围绕黑洞的吸积盘中喷出的物质喷流，首先会与喷出物发生相互作用，形成一个宽阔的“茧”。在这之后，喷出物会“破茧而出”，以极高的速度进入星际空间。（图/Sophia Dagnello， NRAO/AUI/NSF）

视超光速运动运动出现的原因是喷流以接近光速的速度飞行，并且与我们的视线存在一个小的角度。由于喷流的移动速度接近光速，所以当喷流中的粒子发出一点光时，粒子不会落后于它发出的光太远。当经过很长一段时间，粒子再次发出一些光时，它会与第一次发出的光非常接近。当光抵达我们的视线时，粒子就会显得比光移动得快。

其实，天文学家之前已经在其他宇宙天体中观察到这种错觉，包括从M87星系中喷出的接近光速的喷流。到目前为止，所有的超光速运动都可以用数学来解释，并不会违背已知的物理定律。

光速的99.97%  

几年后的今天，在综合从哈勃望远镜和其他望远镜收集到的数据后，天文学家终于描绘出了这次碰撞产生的喷流的完整画面。在新论文中，他们计算出，这些喷流在发射时，是以至少是光速的99.97%（0.7亿千米/小时）的速度穿过太空的。

这样的结果不仅为相对论喷流的存在提供了证据，也为天文学家长期以来认为的，中子星并合和短伽马射线暴之间的联系提供了证据。可以说，这项工作是正在进行的对这些异常碰撞的研究的一个重要分水岭，也是时域和多信使天体物理学这一新兴领域的重大突破，它为更精确地研究中子星并合铺平了道路。

在未来的几年，当拥有足够大的样本时，相对论喷流观测就可能会为测量哈勃常数（与宇宙膨胀率有关）提供另一种途径。目前，哈勃常数对早期宇宙和邻近宇宙的估计值之间存在差异——这是当今天体物理学中最大的谜团之一。更多关于相对论喷流的见解，将有望为试图解决这个难题的天文学家提供更多的信息。

参考来源：

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/hubble-spots-ultra-speedy-jet-blasting-from-star-crash

https://www.livescience.com/cosmic-jet-breaks-light-speed

https://esahubble.org/images/opo22029a/

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05145-7

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