PRL：引力波速度测量新方法
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引力波是爱因斯坦广义相对论预言的弯曲时空中的涟漪，由质量四极矩的变化所引起。它在观测上体现为空间伸缩，携带能量，速度为光速的横波。
引力波的观测效应很微弱，因此探测到它十分困难。在理论提出的100年后，人们不久前利用升级版的大型激光干涉仪LIGO终于探测到了首个引力波信号GW150914，一个双黑洞并合系统，辐射的引力波能量对应为3个太阳质量。
然而，原则上人们至少还需要从实验上证实两件事来完全验证广义相对论：引力波的极化和速度。当然，地面实验室还远没有这样的能力来像光波一样研究引力波的性质。我们只能依靠天文观测在宇宙尺度上讨论问题。
就引力波速度而言，一般传统方法是通过和光波对比来确定其速度是否为光速。具体地，遥远的引力波源（如双中子星系统,中子星-黑洞系统等）可能会有电磁对应体（如kilonova/mergernova,短伽玛暴，快速射电暴等），即引力波事件和电磁波事件在同一地点发生。这两个事件传播到地面被人们观测到，由于它们在宇宙中经历的路径是一样的，如果两者的传播速度一样，人们应该可以同时测到它们的信号。任何信号的时间差的存在都表明引力波不是按照光速传播。
这种方法的思想原则上没有什么问题，但在实际天体物理过程中，引力波事件和电磁波事件不一定是准确地同时发生，即存在一个不确定的固有时间差。由于这个固有时间差的存在，在地球上测得的两者信号时间差就不能归因于两者传播速度的不一致。因此，这种方法存在一个测量准确度的极限。
我们现在介绍一个有趣的天文现象上：引力透镜。光子或引力波受到引力场的影响，其传播方向会发生偏折，类比如几何光学的透镜，其本质都遵循费马原理或最小作用量（时间）原理。宇宙学研究中的典型引力透镜现象是：遥远的天体源（如类星体，引力波系统）受到前景大质量（如星系）的影响，其像发生形变，放大，甚至被透镜化成多个像。不同的像经历的过程包括几何路径和引力势是不一样的，导致到达地球的时间不一样，这个多像之间的时间差称为时间延迟。
在我们的工作中，我们提出引力波和其电磁对应体作为源被前景椭圆星系透镜化的系统值得人们关注。这样有着引力波加上电磁波多信使观测的透镜系统使得准确测量引力波成为可能。我们注意到时间延迟是一个绝对量，它只和像经历的过程差别有关，具有时间平移不变性。如果引力波传播速度为光速，即便固有时间差存在，引力波的时间延迟和电磁波的时间延迟应该是完全一样的。任何时间延迟的差异都是引力波速度不等于光速的证据。除此之外，这样的系统能够解决单纯引力波测量中无法定位源的缺陷，单纯引力波探测器只能在10个平方度范围内确定源的位置。通过电磁对应体的测量可以精确确定引力波源的方位及红移。同时，也可以确认电磁对应体自身的存在。这项工作发表在Phys. Rev. Lett. 118, 091102 (2017) 。
下一代的引力波探测器爱因斯坦望远镜加上光学望远镜将会每年观测到2-10个这样的引力透镜系统，我们期待对这些系统的观测能够促进基础物理学及天文学的发展。
参考文献：
Xi-Long Fan, Kai Liao, Marek Biesiada,Aleksandra Piórkowska-Kurpas, and Zong-Hong Zhu “Speed of Gravitational Waves from StronglyLensed Gravitational Waves and Electromagnetic Signals”Phys. Rev. Lett. 118,091102 (2017)
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