科學(xué)家利用快速射電暴精確驗(yàn)證愛因斯坦弱等效原理

　　恰逢愛因斯坦廣義相對(duì)論問世100周年之際，物理學(xué)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）于12月23日以“Editors' Suggestion”（主編推薦）形式，發(fā)表了中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)高能時(shí)域天文團(tuán)組首席研究員吳雪峰和助理研究員魏俊杰、北京師范大學(xué)副教授高鶴與美國賓夕法尼亞州立大學(xué)教授Peter Mészáros（中科院2013年度愛因斯坦講席教授）關(guān)于愛因斯坦等效原理的最新檢驗(yàn)結(jié)果（Wei, Gao, Wu &Mészáros, 2015, Phys.Rev.Lett., 115, 261101）。該項(xiàng)研究利用快速射電暴不同頻率光子到達(dá)地球的時(shí)間差，精確驗(yàn)證了愛因斯坦廣義相對(duì)論中的弱等效原理假設(shè)。

　　愛因斯坦等效原理預(yù)言，無靜止質(zhì)量（如光子）或靜止質(zhì)量可以忽略（如極端相對(duì)論運(yùn)動(dòng)的中微子）的中性粒子在引力場中傳播，穿越的時(shí)間和沒有引力場情況是不同的。這種效應(yīng)也被稱之為Shapiro延遲（即有、無引力場2種情況的穿越時(shí)間之差），通常在脈沖雙星中較容易觀測到。對(duì)于宇宙學(xué)起源的暫現(xiàn)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(dá)地球之前，必將受到銀河系引力場的影響，導(dǎo)致產(chǎn)生相應(yīng)的Shapiro延遲。此外，愛因斯坦弱等效原理預(yù)言任何非帶電檢驗(yàn)粒子在真空中的運(yùn)動(dòng)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(duì)論）框架下，不同檢驗(yàn)粒子（非帶電）都會(huì)對(duì)應(yīng)相同的后牛頓參數(shù)，如γ（γ反映了單位質(zhì)量引起的空間彎曲）。愛因斯坦等效原理可以通過對(duì)比宇宙學(xué)暫現(xiàn)源同時(shí)釋放的不同能量光子在通過同一個(gè)引力場所用的時(shí)間差來檢驗(yàn)，即比較不同能量光子在銀河系引力場中傳播對(duì)應(yīng)的后牛頓參數(shù)γ值的差別是否為零。

　　最近一類持續(xù)時(shí)標(biāo)為毫秒量級(jí)的射電爆發(fā)事件——快速射電暴(fast radio bursts)，引起了天文界的廣泛關(guān)注。雖然目前關(guān)于快速射電暴的物理起源尚不清楚，但是它們絕大多數(shù)爆發(fā)于高銀緯處，而且它們的色散量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過銀河系星際介質(zhì)的貢獻(xiàn)，因此一般認(rèn)為它們是河外起源甚至是宇宙學(xué)起源。另一方面，快速射電暴的光變曲線一般呈現(xiàn)簡單的單脈沖特征，人們很容易得到不同射電頻率光子的觀測時(shí)間延遲。吳雪峰等人由此提出河外或宇宙學(xué)起源的快速射電暴可以被用來精確檢驗(yàn)愛因斯坦等效原理。該工作利用一個(gè)快速射電暴FRB 110220 和兩個(gè)可能的快速射電暴與伽瑪暴成協(xié)事件(FRB/GRB 101011A和FRB/GRB 100704A)為例，計(jì)算發(fā)現(xiàn)以不同頻率的射電光子為檢驗(yàn)粒子時(shí)，后牛頓參數(shù)γ的差值上限被限制到10^-8量級(jí)，見下圖。這一結(jié)果是迄今為止的最好限制結(jié)果，比之前相關(guān)限制至少要提高了1-2個(gè)量級(jí)，并且把對(duì)愛因斯坦等效原理的檢驗(yàn)擴(kuò)展到了射電波段，從而進(jìn)一步證明了愛因斯坦等效原理假設(shè)的正確性?！段锢碓u(píng)論快報(bào)》審稿人對(duì)這一工作給予了高度評(píng)價(jià)（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）。

　　此前，高鶴、吳雪峰(通訊作者)和Peter Mészáros還利用伽瑪射線暴不同能量光子到達(dá)地球的時(shí)間差，證明能量為eV（光學(xué)波段）、MeV甚至GeV（伽瑪射線波段）的光子，其對(duì)應(yīng)的后牛頓參數(shù)γ值差別小于10^-7。該結(jié)果比之前相關(guān)限制也至少提高了1個(gè)量級(jí)。目前在eV能級(jí)上的后牛頓參數(shù)γ絕對(duì)值最好限制結(jié)果是在10^-3量級(jí)上符合廣義相對(duì)論（γ=1），該研究結(jié)果將這一結(jié)論延伸到了GeV能級(jí)上。利用伽瑪射線暴檢驗(yàn)愛因斯坦等效原理的研究成果發(fā)表在國際天文學(xué)刊物《天體物理雜志》(The Astrophysical Journal)上（Gao, Wu & Mészáros, 2015, ApJ, 810, 121）。

　　這兩項(xiàng)研究工作得到了科技部“973”計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院百人計(jì)劃及B類先導(dǎo)專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。

三個(gè)FRB觀測對(duì)后牛頓參數(shù)γ差值的限制結(jié)果