Longo,1988,PRL；Krauss&Tremaine1988,PRL；综述见吴雪峰-Indico.ppt

1、SN1987A中微子检验弱等效原理,吴雪峰中科院紫金山天文台合作者：魏俊杰、高鹤、Peter Meszaros2016.4.8，JUNO中微子天文与天体物理研讨会，南京,1,报告提纲 爱因斯坦等效原理及早期天文学检验 SN1987A检验爱因斯坦弱等效原理 伽玛暴检验爱因斯坦弱等效原理 快速射电暴检验爱因斯坦弱等效原理 TeV blazars检验爱因斯坦弱等效原理 IceCube中微子检验爱因斯坦弱等效原理,2,报告提纲 爱因斯坦等效原理及早期天文学检验 SN1987A检验爱因斯坦弱等效原理 伽玛暴检验爱因斯坦弱等效原理 快速射电暴检验爱因斯坦弱等效原理 TeV blazars检验爱因斯坦弱等效

2、原理 IceCube中微子检验爱因斯坦弱等效原理,3,爱因斯坦广义相对论100周年：1915.11.25-2015.11.25,4,弱等效原理(WEP): 惯性质量 = 引力质量(所有粒子，无论其质量，在引力场中具有同样的加速度.),（强）等效原理(EP):一个在引力场中做自由落体的实验者，其局部的实验结果与引力场强度无关。,“An alternative statement of WEP is that the trajectory of a freely falling “test” body (one not acted upon by such forces as electromag

3、netism and too small to be affected by tidal gravitational forces) is independent of its internal structure and composition.” Clifford M. Will, 2014, Living Reviews Relativity, 17, 4,5,爱因斯坦等效原理：爱因斯坦“happiest idea”,爱因斯坦等效原理(EEP):1、WEP成立；2、局域洛伦兹不变性（LLI）： The outcome of any local non-gravitational expe

4、riment is independent of the velocity of the freely-falling reference frame in which it is performed.3、局域位置不变性（LPI）： The outcome of any local non-gravitational experiment is independent of where and when in the universe it is performed.,Will, 2014, Living Reviews Relativity, 17, 4,6,引力理论的后牛顿参数化：,Wil

5、l, 2014, Living Reviews Relativity, 17, 4,7,后牛顿参数：,Will, 2014, Living Reviews Relativity, 17, 4,8,利用河外暂现源检验爱因斯坦等效原理,后牛顿参数：,Will, 2014, Living Reviews Relativity, 17, 4,9,利用河外暂现源检验爱因斯坦等效原理,后牛顿参数的太阳系内检验：I.光线偏折效应,Will, 2014, Living Reviews Relativity, 17, 4,广义相对论效应,10,后牛顿参数的太阳系内检验：II.Shapiro时间延迟效应,Will

6、, 2014, Living Reviews Relativity, 17, 4,从Earth发射雷达波到Source，再返回Earth,（太阳系内行星、人造卫星）,由于Sun引力势，往返雷达波多走的时间：,11,后牛顿参数的太阳系内检验：结果,VLBI: quasars, 3C279Hipparcos: optical starlightViking: Mars landerCassini: Saturn,Will, 2014, Living Reviews Relativity, 17, 4,12,报告提纲 爱因斯坦等效原理及早期天文学检验 SN1987A检验爱因斯坦弱等效原理 伽玛暴检验

7、爱因斯坦弱等效原理 快速射电暴检验爱因斯坦弱等效原理 TeV blazars检验爱因斯坦弱等效原理 IceCube中微子检验爱因斯坦弱等效原理,13,SN1987A中微子：银河系“比萨斜塔”实验（WEP）,发生地：大麦哲伦云，距离地球约50 kpc发生时间：（1）中微子暴：Feb., 23.316UT, 1987 探测器Kamioka、IMB（2）光学： Feb., 23.443UT, 1987 约中微子暴1万秒（3小时）之后,Masatoshi Koshiba,Raymond Davis Jr.,Riccardo Giacconi,2002年诺贝尔物理学奖The Nobel Prize in

8、 Physics 2002 was divided, one half jointly to Raymond Davis Jr. and Masatoshi Koshibafor pioneering contributions to astrophysics, in particular for the detection of cosmic neutrinosand the other half to Riccardo Giacconifor pioneering contributions to astrophysics, which have led to the discovery

9、of cosmic X-ray sources“.,14,SN1987A中微子：银河系“比萨斜塔”实验（WEP）,15,2001.12.25,(此图引自Longo, 1988, PRL),SN1987A中微子：银河系“比萨斜塔”实验（WEP）,Shapiro时延：,（1）d50 kpc（2）b=12 kpc（3）银河系引力势U(r)=-GM/r （大麦伦云质量不到银河系的5%）,Longo, 1988, PRL；Krauss & Tremaine 1988, PRL；综述见吴雪峰、陆埮，2006，“伽玛射线暴与爱因斯坦相对论”，物理学进展，26,1,16,(此图引自Longo, 1988, P

10、RL),SN1987A中微子：银河系“比萨斜塔”实验（WEP）,Longo, 1988, PRL；Krauss & Tremaine 1988, PRL；综述见吴雪峰、陆埮，2006，“伽玛射线暴与爱因斯坦相对论”，物理学进展，26,1,（1）2个中微子（7.5MeV, 40MeV）到达时间差（10秒）,（1）中微子和光子到达时间差（6小时）,17,无静止质量粒子在球对称度规时空中的运动：后牛顿(PPN)展开：后牛顿参数 ：单位质量引起的空间曲率大小广义相对论要求：,爱因斯坦等效原理（EEP）：中性粒子在真空引力场中运动，与粒子的内禀性质（结构、成分）无关。,不同能量光子的PPN参数值是否相同

11、？检验探针：(1) 短时标宇宙学暂现源 伽玛暴、快速射电暴、blazar耀发(2) 河外点源中微子 （王子逸、刘若愚、王祥玉）,河外暂现源开展“银河系比萨斜塔”实验（WEP）,18,BlazarGRB,b,Gao, Wu, Meszaros, 2015, ApJ,报告提纲 爱因斯坦等效原理及早期天文学检验 SN1987A检验爱因斯坦弱等效原理 伽玛暴检验爱因斯坦弱等效原理 快速射电暴检验爱因斯坦弱等效原理 TeV blazars检验爱因斯坦弱等效原理 IceCube中微子检验爱因斯坦弱等效原理,19,何谓伽玛射线暴?,伽玛射线波段的爆发、来自太空、持续不足1秒到几分钟、随机发生,光变曲线,光变

12、曲线,20,GRB 970228: 余辉的里程碑发现,X射线,伽玛射线,2月28日,3天后,2月28日 8天后 宿主星系,21,高鹤, 吴雪峰（通讯作者）, & Meszaros, P., 2015, ApJ, 810, 121,不同能量光子的PPN参数值检验结果：(1) GRB 090510 (z=0.90):(2) GRB 080319B (z=0.94):(3) Hipparcos卫星(Froeschle et al. 1997)：(1)-(3), eV MeV GeV,利用伽玛暴开展“银河系比萨斜塔”实验（WEP）,Abdo et al., 2009, Nature,GRB 09051

13、0,GRB 080319B,22,报告提纲 爱因斯坦等效原理及早期天文学检验 SN1987A检验爱因斯坦弱等效原理 伽玛暴检验爱因斯坦弱等效原理 快速射电暴检验爱因斯坦弱等效原理 TeV blazars检验爱因斯坦弱等效原理 IceCube中微子检验爱因斯坦弱等效原理,23,第一个快速射电暴（Lorimer 2007） FRB 010724快速射电暴的进一步确证 (Thornton et al. 2013; Keane et al. 2011; Burke-Spolaor Ravi et al. 2015).全天发生率：1万个/天,Lorimer et al. (2007),快速射电暴的发现,

14、24,Thorton, et al., 2013, Science,(1.2GHz-1.5GHz) 1 s,25,利用河外暂现源检验爱因斯坦等效原理,Thorton, et al., 2013, Science,FRBs色散测量宇宙学起源?,26,利用河外暂现源检验爱因斯坦等效原理,可能红移,快速射电暴与伽玛暴可能成协,GRB 101011A,GRB 100704A,6.2 sigma confidence level t=1076 s,6.6 sigma confidence level t=524 s,Bannister et al. 2012, ApJ,z = (0.130, 0.246

15、) for GRB 100704A,Deng & Zhang (2014) 利用DM估算的伽玛暴红移:,z = (0.554, 0.687) for GRB 101011A,27,利用快速射电暴开展“银河系比萨斜塔”实验（WEP）,(1) FRB比GRB对EEP限制提高2个量级；(2) FRB距离不确定，但对结果影响不大。,魏俊杰, 高鹤, 吴雪峰（通讯作者）, & Meszaros, P., 2015, Phys.Rev.Lett,红线误差（自上到下）：t(DM)=0.001t(obs), t(DM)=0.999t(obs)蓝线误差（自上到下）：1Mpc, 0.5z, 2z, 3z,28,报

16、告提纲 爱因斯坦等效原理及早期天文学检验 SN1987A检验爱因斯坦弱等效原理 伽玛暴检验爱因斯坦弱等效原理 快速射电暴检验爱因斯坦弱等效原理 TeV blazars检验爱因斯坦弱等效原理 IceCube中微子检验爱因斯坦弱等效原理,29,活动星系核的分类,30,Blazar（耀变体）的辐射机制：轻子过程vs重子过程,31,Wei, Wang, Gao & Wu, 2016, ApJL,不同能量光子的PPN参数值检验结果：(1) Mrk 421 (z=0.031):(2) Mrk 501 (z=0.034):(3) PKS 2155-304 (z=0.117)(4) 伽玛暴(Gao, Wu &

17、 Meszaros et al. 2015)： eV MeV GeV，因此，(1)-(4), eV MeV GeV TeV,利用TeV blazars开展“银河系比萨斜塔”实验（WEP）,32,Mrk 421,Furniss et al., 2015, ApJ,报告提纲 爱因斯坦等效原理及早期天文学检验 SN1987A检验爱因斯坦弱等效原理 伽玛暴检验爱因斯坦弱等效原理 快速射电暴检验爱因斯坦弱等效原理 TeV blazars检验爱因斯坦弱等效原理 IceCube中微子检验爱因斯坦弱等效原理,33,Coincidence of a high-fluence blazar outburst wi

18、th a PeV neutrino,PKS B1424 418 at z = 1.522 (FSRQ)偶然性概率0.05 (2)fluence of the ourburst is (30.5 0.3) cm-2, the highest outburst fluence of all extragalactic sources,Fermi/LAT的观测，红线是PeV中微子到达时间,Kadler et al. 2016, Nature Physics,Limits on EEP obtainedWang, Liu, Wang, PRL 116, 151101 (2016),160 d,谢谢！,36,JUNO中微子实验展望MeV中微子光变曲线（近邻超新星可探测上万个中微子）（1）更强的EEP限制；（2）更强的中微子静止质量限制。,