利用FAST的射电观测检验相对论基本假设

Einstein’s theory of general and special relativity is an important cornerstone of modern physics, which has a wide application in the fields of astronomy and fundamental physics. Astronomical phenomena, with their extreme features, have been the best testbeds for testing basic physical principles, such as the photon zero-mass hypothesis and the weak equivalence principle (WEP). In this project, we will explore how to test fundamental physics more effectively using radio observations from Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST). (a) We will propose a new method through which the time delay caused by the plasma effect can be extracted, by analyzing the statistical samples of extragalactic radio pulsars and fast radio bursts (FRBs) from FAST. This allows to simultaneously establish robust limits on the photon rest mass and test the photon zero-mass hypothesis. (b) With the possible associations of FRBs with gravitational wave (GW) events or with gamma-ray bursts (GRBs) in the FAST era, multi-wavelength and multi-messenger tests of the WEP will be carried out. (c) We will discuss the possibility of using GW-FRB-GRB association systems as a viable cosmic probe, providing the scientific basis for the follow-up observations of FAST.

爱因斯坦的广义相对论和狭义相对论理论是现代物理学的基石之一，在天文学乃至基础物理学领域中有着非常重要的应用。天文现象得天独厚的极端特征为我们提供了检验相对论基本假设（如狭义相对论的光子零静止质量假设和广义相对论的等效原理）的最佳实验平台。本项目将详细研究如何更有效地利用500米口径球面射电望远镜（FAST）的射电观测数据检验基本物理原理，包括：（a）基于FAST观测到的河外射电脉冲星和快速射电暴的统计样本，扣除等离子体效应造成的时间延迟，得到光子静止质量的强有力保守限制，检验光子零静止质量假设；（b）利用FAST时代可能探测到的与引力波事件或伽玛射线暴成协的快速射电暴，开展多波段、多信使的弱等效原理检验；（c）模拟预言未来引力波-快速射电暴-伽玛暴三者成协系统作为宇宙学探针的可能性，为FAST的后续观测提供重要的科学依据。

本项目的主要研究内容是探讨如何更有效地利用500米口径球面射电望远镜（FAST）的射电观测数据检验基本物理原理和开展射电暂现源宇宙学方面的研究。此外，项目组还在狭义相对论洛伦兹不变性的天文学检验、伽玛暴瞬时辐射、多信使宇宙学等方面开展了研究。项目负责人魏俊杰在项目执行期内，共发表22篇SCI论文和1篇其他国际学术论文，其中第一作者兼/或通讯作者有16篇。主要研究成果包括：1）基于FAST的最新观测，开展了快速射电暴FRB 121102的标度不变性研究；2）受《物理学前沿》杂志邀请，撰写了“利用天体物理暂现源检验基本物理”的英文综述文章；3）利用9例精确定位的快速射电暴样本破除光子非零质量效应和等离子体效应之间的简并，高精度验证了爱因斯坦狭义相对论的光子零静止质量假设；4）利用首例高置信度的中微子与耀变体成协系统对弱等效原理和洛伦兹不变性进行了高精度检验，该工作被发表在国际著名评述期刊Living Reviews in Relativity上的综述文章引述，以及受到欧空局Athena项目科学白皮书的关注和引用；5）提出结合同一红移处的快速射电暴和哈勃参数观测可直接测量星系际重子物质占比的新方法；6）发展了直接测量哈勃常数和宇宙曲率的模型无关方法；7）提出结合引力波和Ia型超新星观测可对宇宙透明度作模型无关的精确限制；8）考虑各种仪器选择效应，仔细研究了伽玛暴的光度函数和红移分布。