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科学家利用快速射电暴精确验证爱因斯坦弱等效原理

科学家利用快速射电暴精确验证爱因斯坦弱等效原理

  恰逢爱因斯坦广义相对论问世100周年之际,物理学期刊《物理评论快报》Physical Review Letters1223日以Editors' Suggestion(主编推荐)形式,发表了中国科学院紫金山天文台高能时域天文幸运飞艇团组首席研究员吴雪峰和助理研究员魏俊杰、北京师范大学副教授高鹤与美国宾夕法尼亚州立大学教授Peter Mészáros(中科院2013年度爱因斯坦讲席教授)关于爱因斯坦等效原理的最新检验结果(Wei, Gao, Wu & Mészáros, 2015, Phys.Rev.Lett., 115, 261101)。该项研究利用快速射电暴不同频率光子到达地球的时间差,精确验证了爱因斯坦广义相对论中的弱等效原理假设。

  爱因斯坦等效原理预言,无静止质量(如光子)或静止质量可以忽略(如极端相对论运动的中微子)的中性粒子在引力场中传播,穿越的时间和没有引力场情况是不同的。这种效应也被称之为Shapiro延迟(即有、无引力场2种情况的穿越时间之差),通常在脉冲双星中较容易观测到。对于宇宙学起源的暂现源,不同粒子(如光子与中微子)或不同能量的相同粒子在到达地球之前,必将受到银河系引力场的影响,导致产生相应的Shapiro延迟。此外,爱因斯坦弱等效原理预言任何非带电检验粒子在真空中的运动轨迹是相同的,任何符合爱因斯坦弱等效原理的引力理论(包括广义相对论)框架下,不同检验粒子(非带电)都会对应相同的后牛顿参数,如γ(γ反映了单位质量引起的空间弯曲)。爱因斯坦等效原理可以通过对比宇宙学暂现源同时释放的不同能量光子在通过同一个引力场所用的时间差来检验,即比较不同能量光子在银河系引力场中传播对应的后牛顿参数γ值的差别是否为零。

  最近一类持续时标为毫秒量级的射电爆发事件——快速射电暴(fast radio bursts),引起了天文界的广泛关注。虽然目前关于快速射电暴的物理起源尚不清楚,但是它们绝大多数爆发于高银纬处,而且它们的色散量要远远超过银河系星际介质的贡献,因此一般认为它们是河外起源甚至是宇宙学起源。另一方面,快速射电暴的光变曲线一般呈现简单的单脉冲特征,人们很容易得到不同射电频率光子的观测时间延迟。吴雪峰等人由此提出河外或宇宙学起源的快速射电暴可以被用来精确检验爱因斯坦等效原理。该工作利用一个快速射电暴FRB 110220 和两个可能的快速射电暴与伽玛暴成协事件(FRB/GRB 101011AFRB/GRB 100704A)为例,计算发现以不同频率的射电光子为检验粒子时,后牛顿参数γ的差值上限被限制到10-8量级,见下图。这一结果是迄今为止的最好限制结果,比之前相关限制至少要提高了1-2个量级,并且把对爱因斯坦等效原理的检验扩展到了射电波段,从而进一步证明了爱因斯坦等效原理假设的正确性。《物理评论快报》审稿人对这一工作给予了高度评价(The work presented in the manuscript represents a novel, innovative method to test Einstein's Equivalence principle, and provides the most stringent upper limits to date at radio energies)。

  幸运飞艇此前,高鹤、吴雪峰(通讯作者)Peter Mészáros还利用伽玛射线暴不同能量光子到达地球的时间差,证明能量为eV(光学波段)、MeV甚至GeV(伽玛射线波段)的光子,其对应的后牛顿参数γ值差别小于10-7。该结果比之前相关限制也至少提高了1个量级。目前在eV能级上的后牛顿参数γ绝对值最好限制结果是在10-3量级上符合广义相对论(γ=1),该研究结果将这一结论延伸到了GeV能级上。利用伽玛射线暴检验爱因斯坦等效原理的研究成果发表在国际天文学刊物《天体物理杂志》(The Astrophysical Journal)上(Gao, Wu & Mészáros, 2015, ApJ, 810, 121)。

  这两项研究工作得到了科技部“973”幸运飞艇计划、国家自然科学基金、中国科学院百人计划及B类先导专项等项目的资助。

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三个FRB观测对后牛顿参数γ差值的限制结果