伽玛射线暴在宇宙学和基础物理学中的应用

Gamma-ray Bursts (GRBs) is one of the hottest research fields in astrophysics. As the most powerful explosions in the cosmos, they can be detected out to very high redshifts. To date, the farthest burst detected is GRB 090423 at z=8.2. GRBs are therefore considered as an ideal tool for probing the high-redshift Universe. In this project, we will systematically study many applications of GRBs in cosmology and fundamental physics. (a) For GRB cosmology, we will concentrate on carrying out the statistical analysis of the observational data, testing (searching for) the existing (new) luminosity correlations, constraining the high-redshift star formation history， probing star formation in dark matter halos, revealing the properties of first star, etc. (b) The detection of high-redshift GRBs is one of the main goals driving the design of the next GRB missions. We will explore the observation strategy and detection rate for high-redshift GRBs, based on the future space satellite in our country. (c) With the possible associations of IceCube neutrinos with GRBs, we will use the flight time differences between the neutrinos and the GRB photons to constrain the neutrino velocity, the quantum gravity models, and the Einstein Equivalence Principle.

伽玛射线暴(简称伽玛暴) 是当今天体物理领域的研究热点之一。作为宇宙中最为剧烈的爆发现象，伽玛暴可在很高的红移处被探测到，目前已测得最高红移达8.2，表明伽玛暴是研究高红移宇宙学的有效探针。本项目将详细研究探讨伽玛暴在宇宙学和基础物理学领域当中的诸多应用，包括：（a）伽玛暴宇宙学的研究，如经验光度关系的发现或验证，限制高红移恒星形成历史，探讨暗物质晕中的恒星形成过程，伽玛暴揭示第一代恒星性质的可能性,等等；（b）探测高红移伽玛暴已成为下一代伽玛暴卫星的重要科学目标之一，我们将着重围绕我国未来空间卫星的观测性能进行科学模拟，预言其对高红移伽玛暴的探测前景，为卫星的后续建设提供重要的科学依据；（c）利用伽玛暴与IceCube中微子的可能成协事件，限制中微子速度、量子引力模型和爱因斯坦广义相对论中的弱等效原理假设。

本项目的主要研究内容是探讨伽玛暴在宇宙学和基础物理学领域当中的诸多应用。此外，项目组还在快速射电暴、引力波、多信使宇宙学、相对论基本假设的天文学检验等方面开展了研究。项目负责人魏俊杰在项目执行期内，共发表25篇SCI论文和1篇中文核心期刊，其中责任作者（第一作者或者通讯作者）有21篇。主要研究成果包括：1）预测了爱因斯坦探针卫星对高红移伽玛暴的探测前景，为卫星的后续建设提供了重要的科学论证；2）首次提出利用伽玛暴的能谱时延拐折特征可对洛伦兹不变性破缺作出强有力的限制，相关工作受到LIGO/VIRGO引力波国际合作科学组的关注和引用；3）利用人类直接探测到的首例双中子星并合引力波事件及其电磁对应体、首例高置信度的中微子与耀变体成协系统、伽玛暴瞬时辐射偏振观测，对爱因斯坦广义相对论和其他引力理论的基石之一“弱等效原理”进行了高精度的检验，相关工作受到了美国Astro2020未来十年规划(Decadal Survey) 科学白皮书《双中子星并合多信使科学总结》的引用；4）利用河外射电脉冲星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，相关工作被《Research in Astronomy and Astrophysics》杂志评选为2017年“亮点工作”；5）提出强引力透镜化的不同引力波成像之间的到达时间差和“透镜”星系速度弥散的组合，可作为强有力的宇宙量天尺；6）提出引力波/快速射电暴成协系统可构造升级版的“标准汽笛”；7）提出结合引力波和哈勃参数观测可对宇宙曲率参数作模型无关的精确限制。