[論文レビュー] Upper limits on Einstein's weak equivalence principle placed by uncertainties of dispersion measures of fast radio bursts

T. Hashimoto, Tomotsugu Goto+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 49被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、急速無線バースト（FRB）の分散測定不確実性を用いて、アインシュタインの弱等価原理（WEP）の破れに対する厳密な上限を設定し、異なるエネルギーの光子が重力場で異なるシャピロ遅延を経験するかどうかをテストする。FRB 121002（z = 1.6 ± 0.3）とFRB 180817.J1533+42（z = 1.0 ± 0.2）を分析することで、log ∆γ < −20.8 ± 0.1 および log(∆γ/rE) < −20.9 ± 0.2 の上限が得られ、一貫したシャピロ遅延モデリングを用いた宇宙物理学的源を用いた最新の拘束条件となる。

ABSTRACT

Fast radio bursts (FRBs) are astronomical transients with millisecond timescales occurring at cosmological distances. The observed time lag between different energies of each FRB is well described by the inverse-square law of the observed frequency, i.e., dispersion measure. Therefore, FRBs provide one of the ideal laboratories to test Einstein's weak equivalence principle (WEP): the hypothetical time lag between photons with different energies under a gravitational potential. If WEP is violated, such evidence should be exposed within the observational uncertainties of dispersion measures, unless the WEP violation also depends on the inverse-square of the observed frequency. In this work, we constrain the difference of gamma parameters ($\Delta\gamma$) between photons with different energies using the observational uncertainties of FRB dispersion measures, where $\Delta\gamma=0$ for Einstein's general relativity. Adopting the averaged 'Shapiro time delay' for cosmological sources, FRB 121002 at $z=1.6\pm0.3$ and FRB 180817.J1533+42 at $z=1.0\pm0.2$ place the most stringent constraints of $\log\Delta\gamma<-20.8\pm0.1$ and $\log(\Delta\gamma/r_{E}) < -20.9\pm0.2$, respectively, where $r_{E}$ is the energy ratio between the photons. The former is about three orders of magnitude lower than those of other astrophysical sources in previous works under the same formalization of the Shapiro time delay while the latter is comparable to the tightest constraint so far.

研究の動機と目的

• 急速無線バースト（FRB）を重力的遅延のプローブとして用いて、アインシュタインの弱等価原理（WEP）をテストすること。
• 一般相対性理論では ∆γ = 0 となる異なるエネルギーの光子間のガンマパラメータの差異（∆γ）を制限すること。
• 宇宙論的FRBと一貫した宇宙論的シャピロ遅延モデルを用いることで、以前の宇宙物理学的限界を改善すること。

提案手法

• 観測された遅延（∆tobs）を、分散測定遅延（∆tDM）、固有遅延（∆tint）、重力的シャピロ遅延（∆tgra）の和としてモデル化し、他の効果は無視可能とする。
• プランク15宇宙論に基づく、平均シャピロ遅延（tgra,ave）の宇宙論的解析解を用い、Λおよび物質項に分解する。
• 物質寄与項（tmatter）とガンマパラメータを用いて ∆tgra を導出するが、一般相対性理論では γ = 1 とする仮定を採用する。
• 観測的DM不確実性を用いて、WEP破れの上限を求めるための制約式 ∆γ < (∆tobs − ∆tDM) × (6c³)/(ΩmH₀²dₛ³) を適用する。
• ∆tDM の観測された周波数依存性 ν⁻²_obs を用いて、WEP破れが同じ ν⁻²_obs の周波数依存性を示さない場合、DM不確実性内でも検出可能であると主張する。
• この手法をFRB 121002とFRB 180817.J1533+42に適用し、赤方偏移と分散測定不確実性を用いて ∆γ の上限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 急速無線バースト（FRB）を用いることで、アインシュタインの弱等価原理（WEP）の破れに対するより厳しい制約を設定できるか？
• RQ2 FRBの分散測定（DM）の観測的不確実性が、異なるエネルギーの光子間のガンマパラメータ差異（∆γ）をどの程度制限するか？
• RQ3 局所的近似ではなく宇宙論的シャピロ遅延モデルを用いることで、FRBを用いたWEPテストにどのような影響を与えるか？
• RQ4 得られた ∆γ の制約は、パulsar や重力波などの他の宇宙物理学的源からの制約と比較してどうなるか？

主な発見

• 赤方偏移 z = 1.6 ± 0.3 のFRB 121002に対して、本研究はこれまでで最も厳しい制約 log ∆γ < −20.8 ± 0.1 を得た。
• 赤方偏移 z = 1.0 ± 0.2 のFRB 180817.J1533+42 に対しては、log(∆γ/rE) < −20.9 ± 0.2 の制約が、これまでに報告された最も厳しい限界と同等である。
• FRB 121002からの制約は、同じシャピロ遅延形式を用いた過去の宇宙物理学的限界と比較して、約3桁低い値である。
• この手法は、WEP破れが分散測定遅延と同じ ν⁻²_obs 周波数依存性を示さないという仮定に依存しており、そうでない場合、効果がデゲネレートしてしまう。
• 平均シャピロ遅延の宇宙論的に一貫したモデルを用い、物質およびダークエネルギー寄与を考慮した。
• 結果として、宇宙論的距離に位置するFRBは、高い赤方偏移と高精度なDM測定を備えるため、WEPのテストに極めて強力なプローブであることが示された。