科学家利用伽玛射线暴能谱时延对洛伦兹不变性

2019-05-02 10:11 来源:未知

11664858.com 1来自遥远星系的奇怪信号,也许会成为超越爱因斯坦时空理论的第一道曙光。图片来源:《新科学家》

11664858.com,天文学期刊《天体物理杂志快报》(The Astrophysical Journal Letters)于1月12日正式发表了中国科学院紫金山天文台高能时域天文团组助理研究员魏俊杰、研究员吴雪峰和西班牙安德鲁西亚天文研究所博士张彬彬、河北师范大学副教授邵琅与美国宾夕法尼亚州立大学教授Peter Mészáros关于洛伦兹不变性破缺的最新检验结果(Wei, Zhang, Shao, Wu & Mészáros, 2017, ApJL, 834, L13)。该项研究利用伽玛射线暴GRB 160625B的能谱时延拐折特征对洛伦兹不变性破缺进行了最新检验。

(文/ Stuart Clark)我们生活在一个不可见的景观之中:虽然无法直接感知到它,但它决定了我们能够看到和做到的一切。从绕太阳公转的行星,到飞向月球的火箭,再到不小心掉到地上的铅笔,这个景观中的每一个物体,都遵循其潜移默化的规律。每一次我们负重上山或者上楼时,都在与之对抗。

洛伦兹不变性是爱因斯坦狭义相对论的基本假定,即在非加速坐标系中系统作洛伦兹变换其相关的物理规律不变。但是,一些试图统一量子力学和广义相对论的量子引力模型预言,洛伦兹不变性的假设在普朗克能标或者尺度上需要被打破,即所谓的洛伦兹不变性破缺。一些量子引力模型认为在微观尺度上(通常认为是普朗克尺度,约10的负35次方米)时空不再平滑,而是呈现离散的量子化泡沫结构。这样的量子时空等效于一种色散介质:能量高的光子在其中穿行的速度比能量低的光子要小一点点。因此,洛伦兹不变性破缺会导致光子在真空中的传播速度不再是光速,而是跟光子的能量有关,而且能量越高的光子受时空量子化泡沫结构的影响越大。假设在发射源所有光子同时发出,则利用探测到的不同能量光子的到达时间差,可以推算出量子引力能标或者其下限。

这就是时空景观:物理宇宙的基本结构,抑或就是现实本身。虽然我们看不到它的跌宕起伏,却能感受到它的作用,我们称之为引力。“时空”这一概论,由物理学家赫尔曼·闵可夫斯基(Hermann Minkowski)在20世纪发展,并被阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)的广义相对论所采用,如今已成为整个物理学中最强大的概念之一。

由于伽玛暴的能谱时延很短、光子能量很高、且发生在很远的宇宙学距离上,因此伽玛暴已被广泛地用来限制洛伦兹不变性破缺。然而,在过去近10年,这类研究通常依赖于单个最高能光子(Fermi卫星LAT探测到的GeV光子)的时间延迟,限制比较粗糙,需要做一些假设。而且伽玛暴观测上的时间延迟除了有来自洛伦兹不变性破缺效应的贡献之外,还有内禀时间延迟的贡献。内禀时间延迟问题会影响人们对洛伦兹不变性破缺检验结果的可靠性。紫金山天文台高能时域天文团组研究人员及其合作者近期发现GRB 160625B是迄今为止唯一能谱时延数据丰富、存在从正延迟转变到负延迟特征的伽玛暴,他们提出GRB 160625B的能谱时延拐折特征可对洛伦兹不变性破缺作出全新的限制。基于GRB 160625B不同能段的光变曲线,他们分析得到了其它高能段和最低能段光变之间的达到时间差。他们认为观测时间延迟既来自内禀时间延迟的贡献,又来自洛伦兹不变性破缺效应所造成的时间延迟的贡献,并且假设内禀时间延迟和光子能量呈现正相关。通过对GRB 160625B能谱时延数据的拟合,他们对一阶、二阶洛伦兹不变性破缺作出了强有力的保守限制。与此同时,他们还首次给出了内禀时间延迟关于光子能量的合理表达式。《天体物理杂志快报》审稿人对这一工作给予了高度评价,认为此工作提出了新颖而且极具潜在价值的分析方法,对目前的量子引力研究领域具有非常重要的贡献,并且相比通常采用的条件性限制,本方法对该领域的发展更有价值。

但有一个恼人的问题:没有人知道它是什么。爱因斯坦把时空设想成一个完全光滑的表面,会被恒星、行星和星系的引力所弯曲。然而,各种天体发出的信号却暗示着一些不同的东西。如果这些有争议的观测被证实,就将表明时空景观比爱因斯坦所认为的更加粗糙。这也将意味着,他对时空或者引力的描述并不完善,我们对宇宙的根本认识需要修改。

这项研究工作得到了科技部“973”计划、国家自然科学基金、中科院前沿科学重点研究项目与B类先导专项等项目的资助。

在爱因斯坦之前,空间和时间被认为是宇宙分立的属性。对于艾萨克·牛顿(Isaac Newton)来说,它们是神创造出来的刚性框架,甚至是上帝的某种具象体现,是上帝审视这个世界的“感觉中枢”,引力和运动全然是其旨意的体现。对于许多人来说,这一观点过于特立独行到了神学范畴。于是,牛顿的宗教解释很快就靠边站了。但很少有人质疑其背后的科学。

此外,魏俊杰、吴雪峰等2016年8月在《宇宙学与天体粒子物理杂志》(Journal of Cosmology and Astroparticle Physics)上发表了研究论文,利用最近国际冰立方中微子探测器IceCube团组声称的五个可能与伽玛暴成协的TeV中微子(IceCube collaboration, Aartsen et al., 2016, ApJ, 824, 115),对一阶和二阶洛伦兹不变性破缺作出了高精度的限制,限制精度与目前利用伽玛暴高能光子得到的最好结果基本相当,甚至还要高出一个量级(Wei, Wu, Gao & Mészáros, 2016, JCAP, 08, 031)。

直到19世纪中叶,人们才发现,牛顿力学无法解释水星绕太阳公转轨道中的细微之处。爱因斯坦的相对论却可以,不过需要把时间和空间融合成在数学上无法区分的一个整体。在其中,影响一方的事情也会影响到另一方,时间和空间成为了时空连续体。

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