一场酝酿了120亿年的中子星碰撞

2017年，LIGO和Virgo探测器捕捉到两颗中子星相互绕转、旋近并合时发出的引力波：GW170817。随后，望远镜在星系NGC 4993中看到了爆炸本身——一次伽马射线暴和一颗发光的千新星（kilonova）。此后又探测到了第二次中子星并合GW190425，但它的定位很差，也没有找到对应的光。因此，GW170817仍然是唯一一个与某个星系对应起来的引力波事件。

那个星系是一条线索。加州大学圣克鲁兹分校的Ryan Foley借助它来探究：这样的双星在并合之前要等待多久？他得到的答案与通常的图景并不相符。

等待的时间

天文学家称之为延迟时间（delay time）：从恒星诞生到并合之间的时间。两颗中子星一旦形成，就会通过引力波缓慢地损失轨道能量。这一过程所需的时间随它们间距的四次方增长，所以诞生时靠得近的双星很快并合，诞生时离得远的双星则很晚才并合。

对于范围很广的合理初始间距，这会给出一条简单的规律：单位延迟时间内的并合数，随延迟时间的倒数（1除以延迟时间）而下降。再加上约1000万年的最短延迟，就得到了标准（canonical）分布。它传达的信息是：大多数双星在其恒星诞生后不久就会并合，很少有等上数十亿年的。

为NGC 4993测年

NGC 4993是一个“早型”星系，属于天文学家标记为S0的类别。在千新星发光的位置附近，既没有星团，也没有恒星形成区，因此这对中子星很可能是在并合之前很久、在星系中的其他地方形成的。于是，Foley对整个星系的恒星进行了建模，结合了从紫外到红外共14个波段的测量，以及甚大望远镜（Very Large Telescope）上MUSE仪器获取的一条光谱。

这次拟合把星系的历史分成20个时间区间，并让每个区间自由地形成恒星。结果一目了然。其恒星的平均年龄为124亿年（在90%的置信度下介于117亿至129亿年之间）。恒星形成在125亿至130亿年前达到顶峰，当时每年形成54个太阳质量的新恒星；而在过去90亿年里，恒星形成率一直低于每年1个太阳质量。在102亿年前，该星系约96%的质量就已经形成。星系周围的壳层结构表明，大约10亿年前发生过一次小规模并合，但光谱中看不到它可能产生的年轻恒星的迹象。

因此，GW170817的延迟时间很可能大约是120亿年。

1.8%的概率

接着，Foley把这一年龄与宇宙恒星形成史、LIGO-Virgo-KAGRA合作组织测得的并合率，以及已探测到的两次并合结合起来。

在标准分布下，今天每观测到一次延迟时间为100亿年的并合，就应该有大约2次延迟时间为10亿年的并合，以及16次延迟时间为1亿年的并合（按相同的延迟时间跨度计）。一次被探测到的并合像GW170817一样古老的概率只有1.8%。原因很简单：NGC 4993的一半恒星形成于126亿年以前，而那时整个宇宙只形成了其恒星总量的1.1%。

平均而言，天文学家需要再探测55次，才能指望遇到一次这样的事件。然而，史上第一次被定位的并合，偏偏就是这种罕见的情况。

数据更偏向什么

如果让最短延迟自由变化，数据会偏向一个非常长的最短延迟。一种没有任何双星在126亿年之前并合的分布，比标准分布更受数据青睐，倍数为40到140，具体取决于如何纳入并合率；与根据短伽马射线暴和银河系中双中子星推断出的分布相比，倍数为80到280。在其中一种处理方式下，最短延迟在90%的置信度下超过75亿年。

三条出路

要让标准图景成立，短延迟的并合就必须是“失踪”了。Foley列出了三种解释。

双星诞生时的间距可能比假设的大得多。100亿年的最短延迟意味着，没有任何一对1.5倍太阳质量的中子星，其初始间距小于0.021个天文单位。Foley认为这不太可能：它会与已知的双中子星以及大质量双星相冲突。
探测器可能漏掉了许多并合。Foley认为这极不可能。
另一种形成双星的方式，具有很长的延迟，可能与通常的方式不相上下，甚至占据主导。

Foley倾向于第三种。最有希望的候选者是致密星团：在那里，双星可以通过恒星之间的引力相互作用而形成，延迟时间接近宇宙的年龄。在银河系已知的约24对双中子星中，有一对已确认的和三对未确认的位于球状星团中，球状星团是一种致密的星团。但在GW170817的位置并没有看到星团，而且近期的理论预测，星团中的并合太少：并合率必须比预期的更高才行。

超出单一事件的涟漪

如果并合要等这么久，它们就来得太晚，无法用自己锻造出的“r过程”元素（例如铕）来丰富年轻的银河系。而那些通过优先搜索恒星形成星系来寻找新并合之光的观测，可能并没有瞄准最有希望的那些星系。如果最短延迟为100亿年，那么在宇宙年龄达到100亿年之前，这样的并合都不可能发生，因此未来的探测器在遥远距离上看到的并合会少得多。

所有这些都建立在两个事件之上，而且其中只有一个得到了定位。Foley预计，更多的探测将让图景更加清晰，他还怀疑，真实的分布并不像一个带有最短延迟的单一幂律那么简单。