中國科學家利用快速射電暴對愛因斯坦弱等效原理進行最精確檢驗

三個FRB 觀測對後牛頓參數γ差值的限制結果
中國科學院紫金山天文台高能時域天文團組吳雪峰首席研究員和魏俊傑助理研究員、北京師範大學高鶴副教授與美國賓夕法尼亞州立大學彼得·梅薩羅斯(Peter Mészáros)教授利用快速射電暴不同頻率光子到達地球的時間差,精確驗證了愛因斯坦廣義相對論中的弱等效原理假設。

愛因斯坦等效原理預言,無靜止質量(如光子)或靜止質量可以忽略(如極端相對論運動的中微子)的中性粒子在引力場中傳播,穿越的時間和沒有引力場情況是不同的。這種效應也被稱之為重力時間延遲效應(Shapiro delay)(即有、無引力場兩種情況的穿越時間之差),通常在脈衝雙星中較容易觀測到。對於宇宙學起源的暫現源,不同粒子(如光子與中微子)或不同能量的相同粒子在到達地球之前,必將受到銀河系引力場的影響,導致產生相應的重力時間延遲效應。此外,愛因斯坦弱等效原理預言任何非帶電檢驗粒子在真空中的運動軌跡是相同的,任何符合愛因斯坦弱等效原理的引力理論(包括廣義相對論)框架下,不同檢驗粒子(非帶電)都會對應相同的後牛頓參數,如γ(γ反映了單位質量引起的空間彎曲)。愛因斯坦等效原理可以通過對比宇宙學暫現源同時釋放的不同能量光子在通過同一個引力場所用的時間差來檢驗,即比較不同能量光子在銀河系引力場中傳播對應的後牛頓參數γ 值的差別是否為零。

最近一類持續時標為毫秒量級的射電爆發事件:快速射電暴(fast radio bursts) ,引起了天文界的廣泛關注。雖然目前關於快速射電暴的物理起源尚不清楚,但是它們絕大多數爆發於高銀緯處,而且它們的色散量要遠遠超過銀河系星際介質的貢獻,因此一般認為它們是河外起源甚至是宇宙學起源。另一方面,快速射電暴的光變曲線一般呈現簡單的單脈衝特徵,人們很容易得到不同射電頻率光子的觀測時間延遲。吳雪峰研究員等人由此提出河外或宇宙學起源的快速射電暴可以被用來精確檢驗愛因斯坦等效原理。該工作利用一個快速射電暴FRB 110220 和兩個可能的快速射電暴與伽瑪暴成協事件(FRB/GRB 101011A 和FRB/GRB 100704A) 為例,計算發現以不同頻率的射電光子為檢驗粒子時,後牛頓參數γ 的差值上限被限製到10^-8量級。這一結果是迄今為止的最好限制結果,比之前相關限制至少要提高了1至2個量級,並且把對愛因斯坦等效原理的檢驗擴展到了射電波段,從而進一步證明了愛因斯坦等效原理假設的正確性。

【圖、文:節錄自中國科學院紫金山天文台網頁;新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在12月23日出版的《物理評論快報》

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