科學家利用伽瑪射線暴能譜時延對洛倫茲不變性破缺進行檢驗

天文學期刊《天體物理雜誌快報》（The Astrophysical Journal Letters）於1月12日正式發表了中國科學院紫金山天文台高能時域天文團組助理研究員魏俊傑、研究員吳雪峰（通訊作者）和西班牙安德魯西亞天文研究所博士張彬彬、河北師範大學副教授邵琅與美國賓夕法尼亞州立大學教授Peter Mészáros關於洛倫茲不變性破缺的最新檢驗結果（Wei, Zhang, Shao, Wu & Mészáros, 2017, ApJL, 834, L13）。該項研究利用伽瑪射線暴GRB 160625B的能譜時延拐折特徵對洛倫茲不變性破缺進行了最新檢驗。

洛倫茲不變性是愛因斯坦狹義相對論的基本假定，即在非加速坐標系中系統作洛倫茲變換（旋轉和平移）其相關的物理規律不變。但是，一些試圖統一量子力學和廣義相對論的量子引力模型預言，洛倫茲不變性的假設在普朗克能標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為在微觀尺度上（通常認為是普朗克尺度，約10的負35次方米）時空不再平滑，而是呈現離散的量子化泡沫結構。這樣的量子時空等效於一種色散介質：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點。因此，洛倫茲不變性破缺會導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，而且能量越高的光子受時空量子化泡沫結構的影響越大。假設在發射源所有光子同時發出，則利用探測到的不同能量光子的到達時間差，可以推算出量子引力能標或者其下限。

由於伽瑪暴的能譜時延很短、光子能量很高、且發生在很遠的宇宙學距離上，因此伽瑪暴已被廣泛地用來限制洛倫茲不變性破缺。然而，在過去近10年，這類研究通常依賴於單個最高能光子（Fermi衛星LAT探測到的GeV光子）的時間延遲，限制比較粗糙，需要做一些假設。而且伽瑪暴觀測上的時間延遲除了有來自洛倫茲不變性破缺效應的貢獻之外，還有內稟時間延遲的貢獻。內稟時間延遲問題會影響人們對洛倫茲不變性破缺檢驗結果的可靠性。紫金山天文台高能時域天文團組研究人員及其合作者近期發現GRB 160625B是迄今為止唯一能譜時延數據豐富、存在從正延遲轉變到負延遲特徵的伽瑪暴，他們提出GRB 160625B的能譜時延拐折特徵可對洛倫茲不變性破缺作出全新的限制。基於GRB 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到時間差。他們認為觀測時間延遲既來自內稟時間延遲的貢獻，又來自洛倫茲不變性破缺效應所造成的時間延遲的貢獻，並且假設內稟時間延遲和光子能量呈現正相關。通過對GRB 160625B能譜時延數據的擬合（如圖），他們對一階、二階洛倫茲不變性破缺作出了強有力的保守限制。與此同時，他們還首次給出了內稟時間延遲關於光子能量的合理表達式。《天體物理雜誌快報》審稿人對這一工作給予了高度評價，認為此工作提出了新穎而且極具潛在價值的分析方法，對目前的量子引力研究領域具有非常重要的貢獻，並且相比通常採用的條件性限制，本方法對該領域的發展更有價值。

這項研究工作得到了科技部「973」計劃、國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究項目與B類先導專項等項目的資助。

此外，魏俊傑、吳雪峰等2016年8月在《宇宙學與天體粒子物理雜誌》（Journal of Cosmology and Astroparticle Physics）上發表了研究論文，利用最近國際冰立方中微子探測器IceCube團組聲稱的五個可能與伽瑪暴成協的TeV中微子（IceCube collaboration, Aartsen et al., 2016, ApJ, 824, 115），對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果基本相當，甚至還要高出一個量級（Wei, Wu, Gao & Mészáros, 2016, JCAP, 08, 031）。

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