东北大学澳门新莆京7906app官网物理系本科生在星系尺度的广义相对论检验方面取得突破

时间:2022-08-18浏览:2614


近期,我校澳门新莆京7906app官网物理系2018级本科生刘小辉和李振华在东北大学引力波宇宙学与射电天文学研究中心祁景钊副教授与张鑫教授的指导下,完成了一项利用强引力透镜观测数据检验广义相对论的研究成果,并以《Galaxy-scale Test of General Relativity with Strong Gravitational Lensing》为题发表在国际一流天文学期刊《天体物理期刊》(The Astrophysical Journal)上,刘小辉为论文第一作者,祁景钊副教授与张鑫教授为共同通讯作者,东北大学澳门新莆京7906app官网物理系为第一完成单位,第二完成单位为东北大学智能工业数据解析与优化教育部重点实验室,第三完成单位为东北大学工业智能与系统优化国家级前沿科学中心。

作为现代物理学的基石之一,爱因斯坦的广义相对论是最成功的引力理论,在迄今为止用于验证它的所有观测中都得到了证实。然而,在近几十年来,一方面,人们追求在更高的测量精度上来检验广义相对论,比如通过月球激光测距测量地月分离随时间的函数;另一方面, 物理学家也试图确认广义相对论在宇宙大尺度上是否仍然有效。尤其是在1998年发现宇宙加速膨胀之后,有一系列的修改引力模型被提出来试图解释此现象,其基本思想是:广义相对论在宇宙大尺度上不再适用,从而需要进行修正,这些修正项带来的几何效应驱动了宇宙加速膨胀。因此,在更大的尺度上检验广义相对论具有重大意义,这不仅涉及现代物理学基石的可靠性,更重要的是,还能帮助我们探究暗能量的本质,这也是现代物理学面临的一个重大问题。

在弱场近似下,时空度规由两个势能函数所刻画,即牛顿势和曲率势,其比值定义为,也被称为后牛顿参数。在广义相对论下,这两个势是相等的(),在非相对论的框架下,这两个势能不相等()。从而后牛顿参数的值便可以作为我们检验广义相对论的参量。目前在太阳系的尺度范围内,对后牛顿参数的限制精度已经达到了0.001%的量级。但在星系的尺度及更大的尺度上,其限制精度要差很多。

引力透镜是广义相对论所预言的一种天文现象,是指从光源发出来的光经过大质量天体附近时,由于大质量天体附近的时空发生畸变,从而导致光线发生偏折,会使观测者看到的光源的成像发生扭曲或成多个像,其表现类似于透镜,因此称之为引力透镜现象。在宇宙中,如果由星系或星系团这类大质量天体作为透镜体,并且与光源(通常为类星体或星系)及观测者近似在同一条直线上时,所成的像会为多像或环状(即爱因斯坦环),这样的天文现象被称为“强引力透镜”。1979年,天文学家观测到类星体Q0597+561发出的光在它前方的一个星系的引力作用下发生弯曲,形成了一个一模一样的类星体的像,这是历史上被观测到的第一例强引力透镜事件。自此引力透镜效应在近40年的时间内都是天文学研究(尤其是宇宙学研究)的重要工具之一。近年来,随着观测技术的改进和观测精度的提升,SLACSLSDCFHT-LS(SL2S)COSMOS等各大巡天实验所观测到的强引力透镜样本数量在不断积累。强引力透镜数据已经被广泛地应用在了宇宙学各方面的研究中。由于强引力透镜的成像与透镜星系周围的时空曲率密切相关,因此可以利用广义相对论理论计算强引力透镜的成像,通过对比实际观测到的像的分布等信息,即可检验广义相对论。

图 哈勃空间望远镜拍摄到的由强引力透镜产生的爱因斯坦环

该论文使用了最新的由161个强引力透镜数据构成的样本库,结合可以提供距离信息的Ia型超新星标准烛光样本(Pantheon样本库包含1048Ia型超新星),在星系尺度上对后牛顿参数进行了限制,限制结果为,拟合精度为6.4%,与广义相对论预言的在1个标准差范围内符合得很好。这表明在星系尺度上广义相对论仍然是有效的。需要强调的是,该论文得到的结果是迄今为止在星系尺度上检验广义相对论最精确的约束结果。

图 利用高斯过程方法和在冷暗物质宇宙学模型下得到的后牛顿参数及透镜模型参数的限制结果,虚线表示的是广义相对论的预测结果。

在未来,随着新一代的光学巡天项目的建设与开展,以更高精度测量的强引力透镜样本数量将会大大增加。比如,目前我国正在筹划和建设的第四代巡天项目,中国空间站多功能光学巡天(CSST),计划于2024年发射,10年的巡天面积约17500平方度。其高分辨率、多波段测光和无缝光谱巡天将为宇宙学的研究提供高质量、丰富的数据。强引力透镜的观测和研究是CSST巡天重要的科学目标之一。相比于第三代巡天,CSST的巡天面积要大一个量级,巡天深度要高出12个星等。得益于CSST的大巡天面积及高空间分辨率,预计在17500平方度的天区内CSST能够观测到105个星系尺度强引力透镜样本。毫无疑问,如此大样本和高红移的观测数据对于我们理解宇宙的演化、暗能量的本质,以及论文中所关注的在星系尺度上检验广义相对论等重要科学问题都将发挥极为重要的作用。


论文的第一作者为东北大学澳门新莆京7906app官网物理系大四本科生刘小辉(已保研至中国科学院国家天文台硕博连读),祁景钊副教授与张鑫教授为论文通讯作者。该研究课题得到了国家自然科学基金重点和面上项目、辽宁省“兴辽英才计划”领军人才项目、中央高校基本科研业务费项目、国家高等学校学科引智基地(111 计划)、中国载人航天工程科学研究项目的资助。本科生科研创新的培养得到了中科院理论物理所-东北大学彭桓武科教合作中心,中科院高能物理研究所-东北大学“钱三强”英才班,东北大学创新创业学院,大学生创新创业训练计划项目的支持。



第一作者刘小辉,东北大学2022级本科毕业生,在校期间曾获优秀学生、辽宁省优秀毕业生等荣誉称号,在全国大学生数学建模竞赛中曾获全国二等奖。目前已保送至中国科学院国家天文台攻读博士学位,研究方向为射电天文学。



共同通讯作者祁景钊,东北大学副教授,硕士生导师。研究领域为宇宙学,在暗能量宇宙学、强引力透镜、引力波天文学、21厘米宇宙学等多个方向长期开展研究工作,在ApJMNRASPRDJCAPEPJC等国际学术期刊发表论文40余篇。


共同通讯作者张鑫,东北大学教授,博士生导师,国家级人才项目入选者,中科院理论物理所-东北大学彭桓武科教合作中心主任,东北大学引力波宇宙学与射电天文学研究中心主任,中国引力与相对论天体物理学会副理事长。研究领域为宇宙学,在暗能量宇宙学、暴胀宇宙学、中微子物理、引力波天文学、射电天文学、21厘米宇宙学等多个方向长期开展研究工作,在Nature CommunicationsScience BulletinSCPMAPRDEPJCJCAPApJMNRAS等期刊发表论文170余篇,被引用 7000 余次,H 因子46。曾获得国务院政府特殊津贴、国家级人才项目、国家级青年人才项目、教育部新世纪优秀人才、辽宁省“兴辽英才计划”领军人才、爱思唯尔高被引学者。曾获辽宁省自然科学二等奖,指导本科生获得“挑战杯”竞赛全国一等奖。担任《中国科学:物理学 力学 天文学》、SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & AstronomyChinese Physics CUniverse等期刊编委。


附相关论文链接:

 “Galaxy-scale Test of General Relativity with Strong Gravitational Lensing”. Liu Xiao-Hui, Li Zhen-Hua, Qi Jing-Zhao and Zhang Xin. 2022, ApJ, 927, 28.

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac4c3b/meta


The Astrophysical Journal》杂志为天文与天体物理领域最具有国际影响力的学术期刊之一,影响因子为5.521,由美国天文学会于1895年创办。该杂志发表世界上最具原创性的天体物理前沿研究成果,著名的物理学家、诺贝尔奖获得者钱德拉塞卡曾长期担任杂志主编。20世纪以来大多数天文学领域诺贝尔物理学奖的成果都发表在《The Astrophysical Journal》上,对全世界的天文学研究产生了持续重大的影响。

供稿人:祁景钊