北京大学天文研究新进展——椭球中子星连续引力波谱中洛伦兹对称性破缺的特征 | MDPI Galaxies

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洛伦兹对称性是现代物理学中的一个基本性质，它要求所有的物理学方程在从一个惯性参考系变到另一个惯性参考系时保持形式不变。从实验观测的角度来说，这保证了所有惯性参考系是平等的，在任意两个惯性参考系中对同一物理事件测量的结果必然通过洛伦兹变换而等价。这一对称性在对引力理论和量子力学进行结合的尝试中受到了挑战，很多量子引力的候选理论预言了洛伦兹对称性在普朗克能标下破缺的可能。

尽管当前所有的粒子物理实验所涉及的能量都远低于普朗克能标，人们仍然寄希望于洛伦兹对称性破缺可能以被实验能标和普朗克能标之比这样一个因子所压缩的信号出现在粒子物理实验中，从而可以通过极其精密的测量来弥补信号本身非常微弱的不利状况。

近期，来自北京大学的徐睿博士，高勇博士，和邵立晶博士，在期刊Galaxies上发表了研究论文，探究了在引力波观测技术逐步提升的背景下，洛伦兹对称性破缺对单个的形变中子星因为自转发出的连续引力波的影响。文章收录于由Dr. Marco Schreck担任客座编辑的特刊“Lorentz Violation in Astroparticles and Gravitational Waves”中。

作者信息

迄今为止，大量的地面实验和天文观测都被用于检验洛伦兹对称性，人们尚未发现支持洛伦兹对称性破缺的信号。LIGO/Virgo科学合作小组对遥远致密天体并合时发出的引力波的成功观测为学界提供了一个新的检验洛伦兹对称性的途径。利用已经公布的引力波观测数据，人们对洛伦兹对称性破缺的限制有了新的提升。

作者把中子星近似地当作一个椭率很小的椭球体，推导了由洛伦兹对称性破缺引起的、依赖于中子星空间取向的引力势能修正，据此用数值计算的方法求解了描述刚体转动的运动方程以及椭球中子星由于转动发出的连续引力波波形。

洛伦兹引力图

结果表明洛伦兹对称性破缺引起中子星的角动量发生进动，这一进动效应对中子星发出的连续引力波进行调制从而在引力波频率谱上显示出能够反映洛伦兹对称性破缺的特征：相比于没有洛伦兹对称性破缺时中子星的连续引力波频率为自转频率和自转频率的两倍的情况，在洛伦兹对称性破缺的影响下，中子星的连续引力波频率还有自转频率的三倍以及更高的成分。这一特征可以用来在LIGO/Virgo以及未来的引力波探测器观测到连续引力波时对洛伦兹对称性做出新的检验。

当前在LIGO/Virgo的观测数据中搜索连续引力波信号的工作已经在如火如荼地进行着，随着引力波观测数据的积累以及探测器灵敏度的提高，我们可以期待，如果在探测器可观测的范围内存在形变的中子星，那么它们因为转动发出的连续引力波必将被观测到，届时利用本文中发现的引力波频率谱中的特征来检验洛伦兹对称性破缺将能进一步扩充我们对洛伦兹对称性破缺上限的认识。

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阅读英文原文

原文出自Galaxies期刊

Xu, R.; Gao, Y.; Shao, L. Signatures of Lorentz Violation in Continuous Gravitational-Wave Spectra of Ellipsoidal Neutron Stars. Galaxies 2021, 9, 12.

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