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紫台学者高精度直接测量引力波速度
2016-08-11| 【 【打印】【关闭】

  广义相对论预言引力波在真空中的速度为光速20159月之前引力波从未被直接探测到,也就不可能直接测量其速度。如果引力波速度小于光速,现有的极高能宇宙线观测要求该相对偏差小于10-15。但在很多的引力理论模型中引力波速度可以超光速,目前对此相关限制很弱。所以引力波速度的直接测量具有非常重要的科学意义 

  引力波速度的直接测量目前主要有两种方案:一种是基于各引力波探测器接收到引力波信号的时间差来计算,目前这种测量的精度非常低;另一种测量原理是——果引力波速度不同于光速,那么宇宙学距离上的引力波信号与几乎同时发出的电磁辐射信号到达观测者时产生一定的时差,通过这个时差就可以给出引力波速度偏离光速的幅度的上限。 

  2015914日在LIGO引力波探测器成功探测到GW150914后大约0.4秒,Fermi卫星上搭载的伽射线暴监视器(GBM)探测到了一个持续约1秒的微弱伽射线暂现源。尽管存在一定的争议,但Fermi/GBM的一个专门数据分析小组认为这个信号的显著性达到3倍标准差它在时间与空间上与GW150914也基本吻合,极有可能成协。李翔、张富文、袁强等人第一时间对该成协的物理意义进行了深入探讨,尤其是通过计算得到——如果引力波速度超过光速,那么其相对偏差应小于10-17arXiv:1602.04460)。如果GW150914Fermi-GBM的伽玛射线信号的成协是真实的,那么这是人类首次对引力波的速度做出的高精度直接测量。在该论文的篇幅显著超出《天体物理杂志快报》(ApJL) 规定的情况下,编辑部破例发表了该工作(For this exceptionally important work I am allowing you to exceed our nominal Letters length limits),全文见http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8205/827/1/L16该文还被列入ApJL双黑洞并合电磁对应体研究合(http://iopscience.iop.org/2041-8205/focus/Focus_on_BBHM) 

  尽管上述结论依赖Fermi/GBM射线信号的真实性,但在20168月《天体物理杂志(ApJ)的一篇论文中http://dx.doi.org/10.3847/0004-637X/827/1/75,李翔、胡一鸣、范一中等人研究指出短伽马暴与引力波事件的成协性很有可能在未来几年内确立,并且引力波速度与光速的相对偏差可望被直接限制到10-18的精度(见图1)。该文中他们还首次出了同时进行引力波速度高精度直接测量及爱因斯坦弱等效原理检验研究方案。 

  这两项研究工作得到科技部973计划(尤其是青年科学家专题项目)、国家自然科学基金(尤其是杰出青年基金、重点项目)、中国科学院B类先导专项的资助。 

图一. 2020年前后引力波速度与光速相对偏差测量预期达到的精度。图取自Li et al. (2016 ApJ). 

(信息来源:紫金山天文台)    

 
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