[论文解读] 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 8

一句话总结

本文利用快速射电暴（FRB）色散量不确定度，对爱因斯坦弱等效原理（WEP）的破坏施加了严格的上限，检验不同能量光子在引力场中是否经历不同的肖罗时间延迟。通过分析红移 z = 1.6 ± 0.3 的 FRB 121002 和红移 z = 1.0 ± 0.2 的 FRB 180817.J1533+42，研究得出 log ∆γ < −20.8 ± 0.1 和 log(∆γ/rE) < −20.9 ± 0.2，这是迄今使用天体物理源并基于一致的肖罗延迟建模所获得的最紧约束。

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.

研究动机与目标

• 利用快速射电暴（FRB）作为引力时间延迟探测器，检验爱因斯坦弱等效原理（WEP）。
• 约束不同能量光子之间 γ 参数差异（∆γ），其中在广义相对论中 ∆γ = 0。
• 通过使用宇宙学 FRB 和一致的宇宙学肖罗延迟模型，改进先前的天体物理限制。

提出的方法

• 将观测时间延迟（∆tobs）建模为色散量延迟（∆tDM）、本征延迟（∆tint）和引力肖罗延迟（∆tgra）之和，其他效应可忽略。
• 基于 Planck15 宇宙学参数，使用解析解计算平均肖罗时间延迟（tgra,ave），并将其分解为 Λ 和物质项。
• 从物质贡献项（tmatter）和 γ 参数推导 ∆tgra，假设广义相对论中 γ = 1。
• 应用约束 ∆γ < (∆tobs − ∆tDM) × (6c³)/(ΩmH₀²dₛ³) 来利用 DM 的观测不确定度限制 WEP 破坏。
• 利用 ∆tDM 的观测频率依赖性 ν⁻²_obs，论证任何不符合相同 ν⁻²_obs 规律的 WEP 破坏效应均可被 DM 不确定度检测到。
• 将该方法应用于 FRB 121002 和 FRB 180817.J1533+42，利用其红移和色散量不确定度推导出对 ∆γ 的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 快速射电暴（FRB）能否用于对爱因斯坦弱等效原理（WEP）的破坏施加更紧的约束？
• RQ2 FRB 色散量（DM）的观测不确定度如何限制不同能量光子之间 γ 参数差异（∆γ）？
• RQ3 与局部近似相比，使用宇宙学肖罗时间延迟模型对利用 FRB 测试 WEP 有何影响？
• RQ4 所得的 ∆γ 约束与来自其他天体物理源（如脉冲星或引力波）的约束相比如何？

主要发现

• 对于红移 z = 1.6 ± 0.3 的 FRB 121002，本研究给出了迄今最紧的约束：log ∆γ < −20.8 ± 0.1。
• 对于红移 z = 1.0 ± 0.2 的 FRB 180817.J1533+42，约束 log(∆γ/rE) < −20.9 ± 0.2 与迄今报告的最紧限制相当。
• FRB 121002 的约束比先前使用相同肖罗延迟形式的天体物理限制低约三个数量级。
• 该方法依赖于一个假设：若 WEP 破坏不遵循与色散量延迟相同的 ν⁻²_obs 频率依赖性，则其效应不会与 DM 延迟混淆。
• 分析使用了考虑物质和暗能量贡献的宇宙学一致平均肖罗时间延迟模型。
• 结果表明，宇宙距离的 FRB 由于其高红移和高精度 DM 测量，为测试 WEP 提供了独特而强大的探针。