美国天文学会报道紫台检验物理学基本原理的系列研究成果

[ 录入者:zhangms | 时间:2016-06-10 08:56:27 | 作者: | 来源:紫金山天文台网站 | 浏览:2547次 ]

紫金山天文台吴雪峰研究员所带领的高能时域天文团组及其合作者近期发表的利用伽玛暴、快速射电暴、TeV blazars等短时标河外暂现源或者变源检验爱因斯坦等效原理(广义相对论引力理论)、光子静止质量为零(狭义相对论基本假设之一)等物理学基本假设的系列工作,于201666日在AAS Nova(美国天文学会新星)网站上以当天的“研究亮点”(“Testing Our Fundamental Assumptions”)被宣传报道。 

美国天文学会新星网站是美国天文学会去年创办的,该网站宗旨是将发表在AAS期刊上(ApJ, ApJL, ApJS, AJ)近期最引人注目的研究结果进行突出报道,其主要目有二:(1)将AAS期刊优秀论文作者进行广泛推介、宣传;(2)对整个天文学研究领域近期研究成果进行总结,并将重要的突破或者发现介绍给天文学研究者和爱好者。 

等效原理是爱因斯坦广义相对论和其它引力理论的重要基石。爱因斯坦等效原理预言,无静止质量或静止质量可以忽略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,该效应也被称为Shapiro延迟。等效原理可以通过对比河外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(单位质量引起的空间弯曲)的差别是否为零。吴雪峰研究员团组及其合作者最近利用不同种类的河外暂现源或者变源,对爱因斯坦弱等效原理进行了最精确的检验(检验结果汇总见图1): 

1利用伽玛射线暴(如GRB 080319GRB 090510)不同能量光子的到达时间差,可以证明能量为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至少提高了1个量级。目前在eV能级上的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在电磁波谱上从光学一直延伸到了GeV能级Gao, Wu*, & Mészáros, 2015, ApJ, 810, 121 

2)首次提出河外或宇宙学起源的快速射电暴(如FRB 110220)可以被用来精确检验爱因斯坦等效原理。该工作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。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,并且把对等效原理的检验扩展到了射电波段,从而进一步证明了等效原理假设的正确性Wei, Gao, Wu*, & Mészáros, 2015, PRL, 115, 261101 

  (3此外,利用TeV blazars(如Mrk 421PKS 2155-304将这类检验推广到TeV能段Wei*, Wang, Gao, Wu*, 2016, ApJL, 818, L2

图1:河外暂现源或变源不同能量光子或者中微子对弱等效原理(后牛顿参数γ值差异)检验结果(Tingay & Kaplan 2016)。

光子静止质量是否为零是当今物理学界最为关心的问题之一。根据爱因斯坦狭义相对论,如果光子静止质量非零,那么会引起光子速度的色散,即光子在真空中的传播 速度不再是光速,而是跟光子的频率有关,频率越高的光子其速度也越快。因此,限制光子静止质量的最直接方法是探测光速的频率依赖性。吴雪峰等人首次提出利 用河外或宇宙学起源的快速射电暴来精确限制光子静止质量。通过分析快速射电暴(如FRB 150418)不同频率射电光子的到达时间差,光子静止质量的上限被限制到10-47g(见图2)。这一结果是目前使用相同实验方法的最好限制结果,比之前相关限制至少要提高了3个量级Wu*, Zhang, Gao, Wei, Zou, Lei, Zhang, Dai & Mészáros, 2016, ApJL, 822, L15

图2:不同天文观测对光子静止质量上限的限制结果(Wu et al. 2016)。

这些系列工作(Gao, Wu* & Mészáros, 2015, ApJWei*, Wang, Gao, Wu*, 2016, ApJLWu*, Zhang, Gao, Wei, Zou, Lei, Zhang, Dai & Mészáros, 2016, ApJL)被美国天文学会201666以研究亮点进行报道,报道详情请见:http://aasnova.org/2016/06/06/testing-our-fundamental-assumptions/

 

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