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科學(xué)家利用伽瑪射線暴能譜時(shí)延對(duì)洛倫茲不變性破缺進(jìn)行檢驗(yàn)

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科學(xué)家利用伽瑪射線暴能譜時(shí)延對(duì)洛倫茲不變性破缺進(jìn)行檢驗(yàn)

摘要: 　　天文學(xué)期刊天體物理雜志快報(bào)（The Astrophysical Journal Letters）于1月12日正式發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)高能時(shí)域天文團(tuán)組助理學(xué)習(xí)員魏俊杰、學(xué)習(xí)員吳雪峰（通訊作者）和西班牙安德魯西亞天文學(xué)習(xí)所博士張 ...

　　天文學(xué)期刊天體物理雜志快報(bào)（The Astrophysical Journal Letters）于1月12日正式發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)高能時(shí)域天文團(tuán)組助理學(xué)習(xí)員魏俊杰、學(xué)習(xí)員吳雪峰（通訊作者）和西班牙安德魯西亞天文學(xué)習(xí)所博士張彬彬、河北師范大學(xué)副教授邵瑯與美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)教授Peter Mészáros關(guān)于洛倫茲不變性破缺的最新檢驗(yàn)結(jié)果（Wei， Zhang， Shao， Wu  Mészáros， 2017， ApJL， 834， L13）。該項(xiàng)學(xué)習(xí)利用伽瑪射線暴GRB 160625B的能譜時(shí)延拐折特征對(duì)洛倫茲不變性破缺進(jìn)行了最新檢驗(yàn)。
　　洛倫茲不變性是愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的基本假定，即在非加速坐標(biāo)系中系統(tǒng)作洛倫茲變換（旋轉(zhuǎn)和平移）其相關(guān)的物理規(guī)律不變。但是，一些試圖統(tǒng)一量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的量子引力模型預(yù)言，洛倫茲不變性的假設(shè)在普朗克能標(biāo)或者尺度上需要被打破，即所謂的洛倫茲不變性破缺。一些量子引力模型認(rèn)為在微觀尺度上（通常認(rèn)為是普朗克尺度，約10的負(fù)35次方米）時(shí)空不再平滑，而是呈現(xiàn)離散的量子化泡沫結(jié)構(gòu)。這樣的量子時(shí)空等效于一種色散介質(zhì)：能量高的光子在其中穿行的速度比能量低的光子要小一點(diǎn)點(diǎn)。因此，洛倫茲不變性破缺會(huì)導(dǎo)致光子在真空中的傳播速度不再是光速，而是跟光子的能量有關(guān)，而且能量越高的光子受時(shí)空量子化泡沫結(jié)構(gòu)的影響越大。假設(shè)在發(fā)射源所有光子同時(shí)發(fā)出，則利用探測(cè)到的不同能量光子的到達(dá)時(shí)間差，可以推算出量子引力能標(biāo)或者其下限。
　　由于伽瑪暴的能譜時(shí)延很短、光子能量很高、且發(fā)生在很遠(yuǎn)的宇宙學(xué)距離上，因此伽瑪暴已被廣泛地用來(lái)限制洛倫茲不變性破缺。然而，在過(guò)去近10年，這類學(xué)習(xí)通常依賴于單個(gè)最高能光子（Fermi衛(wèi)星LAT探測(cè)到的GeV光子）的時(shí)間延遲，限制比較粗糙，需要做一些假設(shè)。而且伽瑪暴觀測(cè)上的時(shí)間延遲除了有來(lái)自洛倫茲不變性破缺效應(yīng)的貢獻(xiàn)之外，還有內(nèi)稟時(shí)間延遲的貢獻(xiàn)。內(nèi)稟時(shí)間延遲問(wèn)題會(huì)影響人們對(duì)洛倫茲不變性破缺檢驗(yàn)結(jié)果的可靠性。紫金山天文臺(tái)高能時(shí)域天文團(tuán)組學(xué)習(xí)人員及其合作者近期發(fā)現(xiàn)GRB 160625B是迄今為止唯一能譜時(shí)延數(shù)據(jù)豐富、存在從正延遲轉(zhuǎn)變到負(fù)延遲特征的伽瑪暴，他們提出GRB 160625B的能譜時(shí)延拐折特征可對(duì)洛倫茲不變性破缺作出全新的限制�；贕RB 160625B不同能段的光變曲線，他們分析得到了其它高能段和最低能段光變之間的達(dá)到時(shí)間差。他們認(rèn)為觀測(cè)時(shí)間延遲既來(lái)自內(nèi)稟時(shí)間延遲的貢獻(xiàn)，又來(lái)自洛倫茲不變性破缺效應(yīng)所造成的時(shí)間延遲的貢獻(xiàn)，并且假設(shè)內(nèi)稟時(shí)間延遲和光子能量呈現(xiàn)正相關(guān)。通過(guò)對(duì)GRB 160625B能譜時(shí)延數(shù)據(jù)的擬合（如圖），他們對(duì)一階、二階洛倫茲不變性破缺作出了強(qiáng)有力的保守限制。與此同時(shí)，他們還首次給出了內(nèi)稟時(shí)間延遲關(guān)于光子能量的合理表達(dá)式。天體物理雜志快報(bào)審稿人對(duì)這一工作給予了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為此工作提出了新穎而且極具潛在價(jià)值的分析方法，對(duì)目前的量子引力學(xué)習(xí)領(lǐng)域具有非常重要的貢獻(xiàn)，并且相比通常采用的條件性限制，本方法對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展更有價(jià)值。
　　這項(xiàng)學(xué)習(xí)工作得到了科技部“973”計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)學(xué)習(xí)項(xiàng)目與B類先導(dǎo)專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。
　　此外，魏俊杰、吳雪峰等2016年8月在宇宙學(xué)與天體粒子物理雜志（Journal of Cosmology and Astroparticle Physics）上發(fā)表了學(xué)習(xí)論文，利用最近國(guó)際冰立方中微子探測(cè)器IceCube團(tuán)組聲稱的五個(gè)可能與伽瑪暴成協(xié)的TeV中微子（IceCube collaboration， Aartsen et al.， 2016， ApJ， 824， 115），對(duì)一階和二階洛倫茲不變性破缺作出了高精度的限制，限制精度與目前利用伽瑪暴高能光子得到的最好結(jié)果基本相當(dāng)，甚至還要高出一個(gè)量級(jí)（Wei， Wu， Gao  Mészáros， 2016， JCAP， 08， 031）。
　　論文鏈接

　　圖：相對(duì)最低能段的能譜延遲隨能量的演化以及一階、二階洛倫茲不變性破缺理論模型的最佳擬合曲線。圖片取自（Wei et al. 2017， ApJL， 834， L13）。
　　來(lái)源:紫金山天文臺(tái)　　編輯:葉瑞優(yōu)科學(xué)家利用伽瑪射線暴能譜時(shí)延對(duì)洛倫茲不變性破缺進(jìn)行檢驗(yàn)  |  責(zé)任編輯：蟲(chóng)子
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