中國天文學家在重力波數據再次高精度驗證弱等效原理

相傳約四百年前，伽利略在意大利比薩斜塔上扔下質量不等的兩個球，向世人宣告，物體對準的加速度和物體的組成、質量無關。而現有材料基本證實，當初伽利略使用的是因為他提出的這一新概念具有劃時代的意義。現在這個稱為等效原理的物理原理是廣義相對論的基石。科學家在地球上的實驗室，在近地太空，太陽系內的實驗數據等不斷地刷新著等效原理的檢驗精度。新的天文現像如伽馬暴，快速射電暴等，同時宇宙學規模上檢驗著等效原理。

上海天文台韓文標研究小組成員利用激光干涉儀重力波天文台和室女座干涉儀（LIGO-VIRGO）合作組織公佈的重力波事件數據，在已有重力波波形模板的基礎上增加了關於弱等效原理的修正項，對弱等效原理進行先進的檢驗。

等效原理分為弱等效原理（weak equivalence principle），愛因斯坦等效原理和強等效原理。弱等效原理是現有重力理論的基石。在局限的區域尺度上，科學家通過各種實驗在較高的精度上驗證了弱等效原理。而在星系尺度上，則可以通過比較某個天體源發出的不同粒子的到達時刻來檢驗弱等效原理。

由大質量星系引起的重力時延與γ+ 1成正比，這裡的γ是一個參數化後牛頓參數，在廣義相對論下γ=1。如果弱等效原理不成立時，不同粒子的γ值應有所不同，所以人們用Δγ來表示對弱等效原理的替代程度，將其作為等效原理檢驗中的一個指標，Δγ= 0代表弱等效原理成立的情況。利用伽瑪射線暴，快速射電暴等對|Δγ|進行了限制，給出了|Δγ|的上限。之前有研究工作初步地使用重力波事件GW150914的觀測結果，對|Δγ|給出了10 ^ -9的上限。

韓文標介紹，引用於其它高能天體物理現象，重力波事件用於檢驗弱等效原理有一個優勢，那就是可以精確地移除在重力波發射處的兩個重力子被扔出去的時間差。無論是伽利略還是黑洞，都不能保證能絕對同時地扔下兩個球；而伽馬暴等天文現象的複雜機制，使人很難確定不同光子發出時的內時延。

利用重力波這一獨特優勢，在韓文標準分組的最新工作，他們利用已公開的十個重力波事件的數據對|？γ|進行了限制。他們在激光干涉儀重力波天文台現有的波形模板基礎上，加入了一個以|Δγ|作為參數的修正項，利用修正後的重力波波形模板對已公佈的十個雙黑洞併合重力波事件數據進行貝葉斯（Bayes）分析。上海天文台的研究生楊舒程介紹，在這十個重力波事件中，得到的對|Δγ|最好的限製顯示|Δγ|最高約在10 ^ -40量級（90％置信水平的上限是10 ^ -16），這遠高於其它天體物理手段的限制結果。在未來激光干涉儀重力波天文台和室女座干涉儀合作組織和其他重力波探測器會觀察到更多的的重力波事件，因此利用重力波對Δγ的限制將會越來越好。

【圖、文：節錄自中國科學院上海天文台網頁；新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在2020年9月25日出版的英國《皇家天文學會月報》