图片 3

精选专题

恰逢爱因斯坦广义相对论问世100周年之际,Mészáros关于洛伦兹不变性破缺的最新检验结果(Wei

18 3月 , 2020  

恰逢爱因斯坦广义相对论问世100周年之际,Mészáros关于洛伦兹不变性破缺的最新检验结果(Wei。恰逢爱因斯坦广义相对论问世100周年之际,Mészáros关于洛伦兹不变性破缺的最新检验结果(Wei。我校天文与空间科学学院、现代天文与天体物理教育部重点实验室王祥玉教授课题组在利用宇宙中微子检验相对论基本原理方面取得重要进展,相关成果以“Testing
the Equivalence Principle and Lorentz Invariance with PeV Neutrinos from
Blazar
Flares”为题,以南京大学为第一单位和通讯单位发表在国际著名物理学期刊《物理评论快报》(Physical
Review Letters)(2016年4月12日在线发表:

恰逢爱因斯坦广义相对论问世100周年之际,Mészáros关于洛伦兹不变性破缺的最新检验结果(Wei。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 Letters
恰逢爱因斯坦广义相对论问世100周年之际,Mészáros关于洛伦兹不变性破缺的最新检验结果(Wei。)于12月23日以“Editors’
Suggestion”形式,发表了中国科学院紫金山天文台高能时域天文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, 恰逢爱因斯坦广义相对论问世100周年之际,Mészáros关于洛伦兹不变性破缺的最新检验结果(Wei。恰逢爱因斯坦广义相对论问世100周年之际,Mészáros关于洛伦兹不变性破缺的最新检验结果(Wei。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。

恰逢爱因斯坦广义相对论问世100周年之际,Mészáros关于洛伦兹不变性破缺的最新检验结果(Wei。恰逢爱因斯坦广义相对论问世100周年之际,Mészáros关于洛伦兹不变性破缺的最新检验结果(Wei。恰逢爱因斯坦广义相对论问世100周年之际,Mészáros关于洛伦兹不变性破缺的最新检验结果(Wei。天文学期刊《天体物理杂志快报》(The Astrophysical Journal
Letters
恰逢爱因斯坦广义相对论问世100周年之际,Mészáros关于洛伦兹不变性破缺的最新检验结果(Wei。)于1月12日正式发表了中国科学院紫金山天文台高能时域天文团组助理研究员魏俊杰、研究员吴雪峰和西班牙安德鲁西亚天文研究所博士张彬彬、河北师范大学副教授邵琅与美国宾夕法尼亚州立大学教授Peter
Mészáros关于洛伦兹不变性破缺的最新检验结果(Wei, Zhang, Shao, Wu &
Mészáros, 2017, 恰逢爱因斯坦广义相对论问世100周年之际,Mészáros关于洛伦兹不变性破缺的最新检验结果(Wei。恰逢爱因斯坦广义相对论问世100周年之际,Mészáros关于洛伦兹不变性破缺的最新检验结果(Wei。ApJL恰逢爱因斯坦广义相对论问世100周年之际,Mészáros关于洛伦兹不变性破缺的最新检验结果(Wei。, 834, L13)。该项研究利用伽玛射线暴GRB
160625B的能谱时延拐折特征对洛伦兹不变性破缺进行了最新检验。

中微子是宇宙物质的基本组成单元,由于其与物质作用很弱而很难被探测到。2013年科学家利用位于南极的冰立方探测器首次探测到了来自地外的极高能量的中微子(1012-1015电子伏特)。如此高能量的中微子应来自极高能量的宇宙线粒子的碰撞过程。最近德国一课题组研究发现一个能量为1015电子伏特的中微子与发生在遥远宇宙的活动星系爆发在位置和时间上一致,并认为此中微子来自耀变体。王祥玉教授课题组提出利用中微子与光子的飞行时间差来检验狭义相对论的洛伦兹不变性原理和广义相对论的等效原理,得到了对这些基本原理的精确检验。

恰逢爱因斯坦广义相对论问世100周年之际,Mészáros关于洛伦兹不变性破缺的最新检验结果(Wei。爱因斯坦等效原理预言,无静止质量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框架下,不同检验粒子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。

洛伦兹不变性是爱因斯坦狭义相对论的基本假定,即在非加速坐标系中系统作洛伦兹变换其相关的物理规律不变。但是,一些试图统一量子力学和广义相对论的量子引力模型预言,洛伦兹不变性的假设在普朗克能标或者尺度上需要被打破,即所谓的洛伦兹不变性破缺。一些量子引力模型认为在微观尺度上(通常认为是普朗克尺度,约10的负35次方米)时空不再平滑,而是呈现离散的量子化泡沫结构。这样的量子时空等效于一种色散介质:能量高的光子在其中穿行的速度比能量低的光子要小一点点。因此,洛伦兹不变性破缺会导致光子在真空中的传播速度不再是光速,而是跟光子的能量有关,而且能量越高的光子受时空量子化泡沫结构的影响越大。假设在发射源所有光子同时发出,则利用探测到的不同能量光子的到达时间差,可以推算出量子引力能标或者其下限。

洛伦兹不变性原理认为光子或静止质量可忽略的不带电粒子在真空中传播时的速度为常数,与粒子的能量或属性无关。然而一些量子引力理论则预言,由于时空在极小尺度上存在“泡沫状”结构,这些粒子的传播速度在能量较高时会与光速不同,即洛伦兹不变性原理发生破缺。过去科学家曾利用超新星1987A发出的中微子与光子的最大飞行时间差限制了洛伦兹不变性原理破缺的程度。由于此次高能中微子来自宇宙深处(距离我们90亿光年),且中微子能量又特别大,王祥玉课题组得到了对中微子的洛伦兹不变性破缺理论的最强限制。这个限制比利用超新星1987A
的中微子得到的限制提高了数个量级,在更高精度上证明了洛伦兹不变性原理的正确性。同时,广义相对论的等效原理认为,光子或中微子在引力场中传播的时间延迟应一样,即同时发出的中微子与光子经过引力场后应同时到达地球,而不依赖于粒子的属性。该课题组利用高能中微子与光子经过邻近星系团或超星系团的引力场后的最大飞行时间差检验了等效原理,得到的检验精度比超新星1987A中微子的情形提高了两个量级。PRL审稿人给予高度评价:“The
research topic is definitely of great interest at the moment, and the
results discussed in this article will have a great impact in the
astrophysics community.”。

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 101011A和FRB/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)。

由于伽玛暴的能谱时延很短、光子能量很高、且发生在很远的宇宙学距离上,因此伽玛暴已被广泛地用来限制洛伦兹不变性破缺。然而,在过去近10年,这类研究通常依赖于单个最高能光子(Fermi卫星LAT探测到的GeV光子)的时间延迟,限制比较粗糙,需要做一些假设。而且伽玛暴观测上的时间延迟除了有来自洛伦兹不变性破缺效应的贡献之外,还有内禀时间延迟的贡献。内禀时间延迟问题会影响人们对洛伦兹不变性破缺检验结果的可靠性。紫金山天文台高能时域天文团组研究人员及其合作者近期发现GRB
160625B是迄今为止唯一能谱时延数据丰富、存在从正延迟转变到负延迟特征的伽玛暴,他们提出GRB
160625B的能谱时延拐折特征可对洛伦兹不变性破缺作出全新的限制。基于GRB
160625B不同能段的光变曲线,他们分析得到了其它高能段和最低能段光变之间的达到时间差。他们认为观测时间延迟既来自内禀时间延迟的贡献,又来自洛伦兹不变性破缺效应所造成的时间延迟的贡献,并且假设内禀时间延迟和光子能量呈现正相关。通过对GRB
160625B能谱时延数据的拟合,他们对一阶、二阶洛伦兹不变性破缺作出了强有力的保守限制。与此同时,他们还首次给出了内禀时间延迟关于光子能量的合理表达式。《天体物理杂志快报》审稿人对这一工作给予了高度评价,认为此工作提出了新颖而且极具潜在价值的分析方法,对目前的量子引力研究领域具有非常重要的贡献,并且相比通常采用的条件性限制,本方法对该领域的发展更有价值。

图片 1

此前,高鹤、吴雪峰和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、MeV甚至GeV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,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)。

这项研究工作得到了科技部“973”计划、国家自然科学基金、中科院前沿科学重点研究项目与B类先导专项等项目的资助。

图:遥远宇宙的耀变体产生的高能中微子和光子经过长距离的传播后到达地球。

这两项研究工作得到了科技部“973”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。

此外,魏俊杰、吴雪峰等2016年8月在《宇宙学与天体粒子物理杂志》(Journal
of Cosmology and Astroparticle
Physics
)上发表了研究论文,利用最近国际冰立方中微子探测器IceCube团组声称的五个可能与伽玛暴成协的TeV中微子(IceCube
collaboration, Aartsen et al., 2016, ApJ, 824,
115),对一阶和二阶洛伦兹不变性破缺作出了高精度的限制,限制精度与目前利用伽玛暴高能光子得到的最好结果基本相当,甚至还要高出一个量级(Wei,
Wu, Gao & Mészáros, 2016, JCAP, 08, 031)。

该项研究工作得到了科技部国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和南京大学登峰人才计划B层次的资助。

文章链接

论文链接

(天文与空间科学学院 科学技术处)

图片 2

图片 3

三个FRB观测对后牛顿参数γ差值的限制结果

图:相对最低能段的能谱延迟随能量的演化以及一阶、二阶洛伦兹不变性破缺理论模型的最佳拟合曲线。图片取自(Wei
et al. 2017, ApJL, 834, L13)。


相关文章

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

网站地图xml地图