紫金山天文台高精度直接測量引力波速度

　　　2016-08-12科研圈

　　來源 中科院紫金山天文台

　　廣義相對論預言引力波在真空中的速度為光速。2015年9月之前引力波從未被直接探測到，也就不可能直接測量其速度。如果引力波速度小於光速，現有的極高能宇宙線觀測要求該相對偏差小於10-15。但在很多的引力理論模型中引力波速度可以超過光速，目前對此相關限制很弱。所以引力波速度的直接測量具有非常重要的科學意義。

　　引力波速度的直接測量目前主要有兩種方案：一種是基於各引力波探測器接收到引力波信號的時間差來計算，目前這種測量的精度非常低；另一種測量的原理是：如果引力波速度不同於光速，那麼宇宙學距離上的引力波爆發信號與幾乎同時發出的電磁輻射信號到達觀測者時將產生一定的時差，通過這個時差就可以給出引力波速度偏離光速的幅度的上限。

　　2015年9月14日，在 LIGO 引力波探測器成功探測到 GW150914 后大約0.4秒，Fermi 衛星上搭載的伽馬射線暴監視器（GBM）探測到了一個持續約1秒的微弱伽馬射線暫現源。儘管還存在一定的爭議，但 Fermi/GBM 的一個專門的數據分析小組認為這個信號的顯著性達到3倍標準差，它在時間與空間上與 GW150914 也基本吻合，極有可能成協。中國科學院紫金山天文台李翔、張富文、袁強等人第一時間對該成協的物理意義進行了深入探討，通過計算得到：如果引力波速度超過光速，那麼其相對偏差應小於10-17（arXiv:1602.04460）。如果 GW150914 與 Fermi-GBM 的伽瑪射線信號的成協是真實的，那麼這是人類首次對引力波的速度做出高精度直接測量。該研究成果發表在《天體物理雜誌快報》(ApJL)上。該文還被列入 ApJL 雙黑洞併合電磁對應體研究合集。

　　儘管上述結論依賴 Fermi/GBM 伽馬射線信號的真實性，但在2016年8月《天體物理雜誌》（ApJ）的一篇論文中，紫金山天文台李翔、胡一鳴、范一中等人研究指出短伽馬暴與引力波事件的成協性很有可能在未來幾年內確立，並且引力波速度與光速的相對偏差可望被直接限制到10-18 的精度（如圖）。該文中他們還首次給出了「同時進行引力波速度高精度直接測量及愛因斯坦弱等效原理檢驗」的研究方案。

　　

　　2020年前後對「引力波速度與光速相對偏差」測量預期達到的精度。圖取自 Li et al. (2016 ApJ)

　　這兩項研究工作得到科技部「973」計劃、國家自然科學基金、中科院B類先導專項的資助。