[论文解读] A new test of the weak equivalence principle on the galaxy level based on observations of binary neutron star merger GW170817

Lulu Yao, Zonghua Zhao+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2019

Nuclear reactor physics and engineering被引用 1

一句话总结

本研究利用引力波GW170817及其电磁对应体，对弱等效原理（WEP）进行了精细化检验，结合了宿主星系NGC 4993与银河系的星系势能。通过采用NFW和Herquist模型描述施里夫时间延迟，并考虑新生冲量与星系晕质量的不确定性，该研究将WEP破坏的约束提升至Δγ < 10⁻⁹（与GRB 170817A相比）和Δγ < 10⁻⁴（与SSS17a相比），相比先前限制提高了1至2个数量级。

ABSTRACT

The successful detection of the binary neutron star (BNS) merger GW170817 and its electromagnetic (EM) counterparts has provided an opportunity to explore the joint effect of the host galaxy and the Milky Way (MW) on the weak equivalence principle (WEP) test. In this paper, using the Navarro$-$Frenk$-$White (NFW) profile and the Herquist profile, we present an analytic model to calculate the galactic potential, in which the possible locations of the source by the observed angle offset and the second supernova (SN2) kick are accounted for. We show that the upper limit of $\Delta \gamma$ is $10^{-9}$ for the comparison between GW170817 and a gamma-ray burst (GRB 170817A), and it is $10^{-4}$ for the comparison between GW170817 and a bright optical transient (SSS17a, now with the IAU identification of AT 2017gfo). These limits are more stringent by one to two orders of magnitude than those determined solely by the measured MW potential in the literature. We demonstrate that the WEP test is strengthened by contribution from the host galaxy to the Shapiro time delay. Meanwhile, we also find that large natal kicks produce a maximum deviation of about $20\%$ to the results with a typical kick velocity 400$\sim$ 500 km s$^{-1}$. Finally, we analyze the impact from the halo mass of NGC 4993 with a typical 0.2 dex uncertainty, and find that the upper limit of $\Delta \gamma$, with a maximum mass $10^{12.4}h^{-1} M_{\odot}$, is nearly two times more stringent than that of the minimum mass $10^{12.0}h^{-1} M_{\odot}$.

研究动机与目标

• 通过结合宿主星系NGC 4993与银河系的联合引力势能，加强对弱等效原理（WEP）的约束。
• 在WEP检验框架中，考虑因角度偏移与第二次超新星冲量导致的源位置不确定性。
• 量化NGC 4993的新生冲量速度与星系晕质量不确定性对WEP破坏参数Δγ的影响。
• 通过联合利用多个星系引力势能产生的施里夫时间延迟效应，改进现有的WEP约束。

提出的方法

• 采用尼沃-弗伦克-怀特（NFW）模型与Herquist模型，描述NGC 4993与银河系的质量分布，以建模星系引力势能。
• 结合观测到的角度偏移与第二次超新星冲量，估算WEP检验中源位置的不确定性。
• 计算宿主星系与银河系对施里夫时间延迟的联合贡献，以评估其对WEP破坏约束的影响。
• 利用GW170817与电磁对应体（GRB 170817A与SSS17a）之间观测到的到达时间差，约束Δγ。
• 在0.2 dex的不确定度范围内变化NGC 4993的星系晕质量，以评估Δγ约束对质量不确定性的敏感度。
• 对比包含与不包含新生冲量效应的结果，评估其对最终Δγ限制的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 与仅使用银河系引力势能相比，引入宿主星系引力势能如何改善WEP约束？
• RQ2 第二次超新星冲量与源位置不确定性对推导出的WEP破坏参数Δγ边界有何影响？
• RQ3 当NGC 4993的星系晕质量在0.2 dex不确定度范围内变化时，WEP边界对质量变化的敏感度如何，特别是对质量不确定性？
• RQ4 新生冲量速度（400–500 km s⁻¹）对WEP检验结果的影响程度如何？其最大偏差值是多少？
• RQ5 GW170817与不同电磁对应体（GRB 170817A与SSS17a）相比，WEP约束结果有何差异？

主要发现

• 与仅使用银河系引力势能相比，同时包含宿主星系NGC 4993与银河系引力势能后，WEP破坏参数Δγ的约束提升至10⁻⁹（与GRB 170817A相比），相比先前限制提高了1至2个数量级。
• 对于明亮的光学暂现源SSS17a（AT 2017gfo），WEP约束为Δγ < 10⁻⁴，显著优于早期估计。
• 新生冲量速度为400–500 km s⁻¹时，与典型冲量情况相比，WEP检验结果的最大偏差约为20%。
• 当NGC 4993的星系晕质量达到最大值（10¹².⁴ h⁻¹ M☉）时，Δγ的上限比最小质量（10¹².⁰ h⁻¹ M☉）时更严格近两倍，凸显了星系晕质量不确定性的重要性。
• 宿主星系与银河系引力势能的联合贡献显著增强了WEP检验，表明宿主星系效应在高精度检验中不可忽略。
• 结果表明，WEP检验对来自宿主星系与银河系的联合施里夫延迟最为敏感，其中宿主星系在收紧约束中起着关键作用。