科學家利用快速射電暴精確驗證愛因斯坦弱等效原理

　　恰逢愛因斯坦廣義相對論問世100周年之際，物理學期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）于12月23日以“Editors' Suggestion”（主編推薦）形式，發表了中國科學院紫金山天文臺高能時域天文團組首席研究員吳雪峰和助理研究員魏俊杰、北京師范大學副教授高鶴與美國賓夕法尼亞州立大學教授Peter Mészáros（中科院2013年度愛因斯坦講席教授）關于愛因斯坦等效原理的最新檢驗結果（Wei, Gao, Wu & Mészáros, 2015, Phys.Rev.Lett., 115, 261101）。該項研究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Shapiro延遲（即有、無引力場2種情況的穿越時間之差），通常在脈沖雙星中較容易觀測到。對于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Shapiro延遲。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）都會對應相同的后牛頓參數，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后牛頓參數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。雖然目前關于快速射電暴的物理起源尚不清楚，但是它們絕大多數爆發于高銀緯處，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沖特征，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，后牛頓參數γ的差值上限被限制到10-8量級，見下圖。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1-2個量級，并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。《物理評論快報》審稿人對這一工作給予了高度評價（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地球的時間差，證明能量為eV（光學波段）、MeV甚至GeV（伽瑪射線波段）的光子，其對應的后牛頓參數γ值差別小于10-7。該結果比之前相關限制也至少提高了1個量級。目前在eV能級上的后牛頓參數γ絕對值最好限制結果是在10-3量級上符合廣義相對論（γ=1），該研究結果將這一結論延伸到了GeV能級上。利用伽瑪射線暴檢驗愛因斯坦等效原理的研究成果發表在國際天文學刊物《天體物理雜志》(The Astrophysical Journal)上（Gao, Wu & Mészáros, 2015, ApJ, 810, 121）。

　　這兩項研究工作得到了科技部“973”計劃、國家自然科學基金、中國科學院百人計劃及B類先導專項等項目的資助。

三個FRB觀測對后牛頓參數γ差值的限制結果