[论文解读] Simultaneous observation of gravitational and electromagnetic waves

Vincenzo Branchina, Manlio De Domenico|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2016

Cosmology and Gravitation Theories被引用 5

一句话总结

本文使用LIGO探测到的引力波（GW150914）与费米卫星探测到的短伽马射线暴的联合观测，对量子引力模型进行了模型无关的分析。结果表明，除非量子引力尺度显著降低至普朗克尺度以下，否则仅允许存在至少一种光速传播粒子（光子或引力子）的模型。该研究获得了前所未有的严格限制：|1−v_g⁰/c|≤10⁻⁴⁰ 和 |v_γ⁰−v_g⁰|≤c×10⁻²²。

ABSTRACT

Assuming that the short gamma-ray burst detected by the Fermi Gamma-Ray Space Telescope about 0.4 seconds after the gravitational waves observed by the LIGO and VIRGO Collaborations originated from the same black hole merger event, we perform a model-independent analysis of different quantum gravity scenarios based on (modified) dispersion relations (typical of quantum gravity models) for the graviton and the photon. We find that only scenarios where at least one of the two particles is luminal (the other being sub- or super-luminal) are allowed, while scenarios where none of the two particles is luminal are ruled out. Moreover, the physical request of having acceptable values for the quantum gravity scale imposes stringent bounds on the difference between the velocities of electromagnetic and gravitational waves, much more stringent than any previously known bound.

研究动机与目标

• 利用来自同一天体物理事件的引力波与短伽马射线暴的联合探测，检验量子引力模型。
• 通过修正的色散关系，约束引力波与电磁波之间的速度差异。
• 确定同时具有亚光速或超光速粒子的模型是否与观测结果及普朗克尺度的量子引力标度相容。
• 基于飞行时间差异，推导出对量子引力能量尺度的严格限制。
• 评估在这些约束下，能够通过黑洞并合解释短伽马射线暴的天体物理模型是否可行。

提出的方法

• 采用以量子引力尺度 E_QG 和校正项中的幂次 n 参数化的引力子与光子的修正色散关系。
• 对引力波与伽马射线暴探测之间0.4秒的延迟进行飞行时间分析。
• 将理论发射延迟 Δt_e 与观测到的 Δt_a ≈ 0.4 s 进行比较，后者已校正宇宙学红移影响。
• 在多个量子引力场景（表1中的E、F、H、I）中进行模型无关分析，参数化为不同的 n 和 E_QG。
• 施加物理约束：E_QG ≥ M_Pl c² ≈ 1.2×10¹⁹ GeV，且要求理论延迟落在观测不确定度范围内。
• 通过要求理论预测落在0.4秒的观测窗口内，推导出速度差异的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在非光速传播的引力子与光子的量子引力模型，能够与GW150914与费米伽马射线暴之间0.4秒的延迟一致？
• RQ2 若量子引力尺度处于或高于普朗克尺度，引力波速度的最紧限制是什么？
• RQ3 若假设光子非光速传播，引力波与电磁波之间的速度差异将受到何种影响？
• RQ4 在洛伦兹对称性破缺的假设下，由观测到的时间延迟可推导出的量子引力尺度 E_QG 的最低限制是什么？
• RQ5 在这些新约束下，能够通过黑洞并合产生短伽马射线暴的天体物理模型是否可行？

主要发现

• 若引力子与光子均非光速传播，则仅当量子引力尺度降低至 E_QG ≲ 10¹³ GeV（远低于普朗克尺度）时，此类模型才可能成立。
• 若引力子非光速传播且 E_QG ≥ M_Pl c²，则引力波速度必须满足 |1−v_g⁰/c|≤10⁻⁴⁰，该限制比以往极限严格五数量级。
• 若光子非光速传播，则光子与引力子之间的速度差异被限制在 |v_γ⁰−v_g⁰|≤c×10⁻²²，仍比先前限制严格五数量级。
• 在假设 E_QG ≥ M_Pl c² 的前提下，仅包含至少一种光速传播粒子（光子或引力子）的模型是可行的。
• 观测到的0.4秒延迟强烈限制了黑洞并合产生伽马射线暴的发射延迟模型，从而限制了可行的天体物理机制。
• 只有当 E_QG 被显著降低至普朗克尺度以下数个数量级时，理论发射延迟曲线才会进入允许的观测区域。