[논문 리뷰] Upper limits on Einstein's weak equivalence principle placed by uncertainties of dispersion measures of fast radio bursts

T. Hashimoto, Tomotsugu Goto외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 22.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 49인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 빠른 라디오 폭발(FRB)의 분산 측정 불확실성들을 사용하여 아인슈타인의 약한 등가원리(WEP) 위반에 대한 엄격한 상한을 제시한다. 이는 서로 다른 에너지를 가진 광자가 중력장에서 다른 셰프라의 시간 지연를 경험하는지 테스트하는 것이다. FRB 121002 (z = 1.6 ± 0.3)과 FRB 180817.J1533+42 (z = 1.0 ± 0.2)를 분석함으로써, log ∆γ < −20.8 ± 0.1 및 log(∆γ/rE) < −20.9 ± 0.2의 상한을 도출하였으며, 이는 일관된 셰프라 지연 모델링을 사용한 천체물리적 원천을 이용한 최신 기록이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 빠른 라디오 폭발(FRB)을 중력적 시간 지연의 탐지수단으로 사용하여 아인슈타인의 약한 등가원리(WEP)를 테스트하는 것.
• 다른 에너지를 가진 광자들 간의 감마 매개변수 차이(∆γ)를 제약하는 것. 일반 상대성 이론에서는 ∆γ = 0이다.
• 우주론적 FRB와 일관된 우주론적 셰프라 지연 모델을 사용하여 이전의 천체물리적 상한을 향상시키는 것.

제안 방법

• 관측된 시간 지연(∆tobs)을 분산 측정 지연(∆tDM), 내재된 지연(∆tint), 그리고 중력적 셰프라 지연(∆tgra)의 합으로 모델링하며, 다른 영향은 무시 가능하다고 가정한다.
• 플랑크15 우주론을 기반으로 한 평균 셰프라 지연(tgra,ave)에 대한 우주론적 해석적 해를 사용하며, Λ와 물질 성분으로 분해한다.
• 일반 상대성 이론에서 γ = 1이라고 가정함으로써, tmatter 항과 감마 매개변수를 사용해 ∆tgra를 유도한다.
• 관측된 DM의 불확실성들을 이용해 WEP 위반을 제약하기 위해 ∆γ < (∆tobs − ∆tDM) × (6c³)/(ΩmH₀²dₛ³)의 제약 조건을 적용한다.
• ∆tDM의 관측 주파수 의존성 ν⁻²_obs를 사용하여, WEP 위반이 동일한 ν⁻²_obs 법칙을 따르지 않는 한, DM의 불확실성 내에서 검출 가능하다고 주장한다.
• 이 방법을 FRB 121002와 FRB 180817.J1533+42에 적용하여, 그들의 적색편이와 분산 측정 불확실성을 사용해 ∆γ에 대한 제약 조건을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빠른 라디오 폭발(FRB)을 사용하여 아인슈타인의 약한 등가원리(WEP) 위반에 대한 더 강력한 제약 조건을 얻을 수 있는가?
• RQ2 FRB의 분산 측정(DM) 불확실성이 서로 다른 에너지를 가진 광자들 간의 감마 매개변수 차이(∆γ)를 어떻게 제한하는가?
• RQ3 지역 근사 모델 대비 우주론적 셰프라 지연 모델을 사용할 경우, FRB를 통한 WEP 테스트에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 얻어진 ∆γ 제약 조건은 펄서나 중력파와 같은 다른 천체물리적 원천에서의 결과와 비교해 어떻게 다른가?

주요 결과

• z = 1.6 ± 0.3인 FRB 121002에 대해, 이 연구는 지금까지 가장 강력한 제약 조건을 도출하였다: log ∆γ < −20.8 ± 0.1.
• z = 1.0 ± 0.2인 FRB 180817.J1533+42에 대해, log(∆γ/rE) < −20.9 ± 0.2의 제약 조건은 지금까지 보고된 최고 수준의 제약과 유사하다.
• FRB 121002로부터의 제약 조건은 이전의 동일한 셰프라 지연 형식을 사용한 천체물리적 상한보다 약 3개의 지수 차이만큼 낮다.
• 이 방법은 WEP 위반이 분산 측정 지연와 동일한 ν⁻²_obs 주파수 의존성을 따르지 않는다는 가정에 의존한다. 그렇지 않으면 효과가 완전히 혼동될 것이다.
• 분석은 물질과 암흑 에너지 기여를 고려한 우주론적으로 일관된 평균 셰프라 지연 모델을 사용한다.
• 결과는 고적색편이와 고정밀도 DM 측정을 가진 우주론적 거리의 FRB가 WEP 테스트를 위한 고유하게 강력한 탐지수단임을 보여준다.