相传约400年前，伽利略在比萨斜塔上扔下质量不等的两个球，向世人宣告，物体下落的加速度和物体的组成、质量无关。虽然现有材料基本证实，当初伽利略使用的是通过计算和推演来证明结论的思想实验，但这并无损于伽利略的伟大。因为他提出的这一新概念具有划时代的意义。如今，这个被称为“等效原理”的物理原理是广义相对论的基石。科学家在地球上的实验室、在近地空间、太阳系内的实验数据等不断地刷新着等效原理的检验精度。新的天文现象如伽马暴、快速射电暴等，也在宇宙学尺度上检验着等效原理。 

　　近日，上海天文台韩文标课题组成员利用LIGO-Virgo合作组织公布的引力波事件数据，在已有引力波波形模板的基础上增加了关于弱等效原理的修正项，对弱等效原理进行了高精度的检验。目前该工作已经发表在英国《皇家天文学会月报快报》上。 

　　等效原理分为弱等效原理（weak equivalence principle; WEP）、爱因斯坦等效原理和强等效原理。弱等效原理是现有引力理论的基石。在局域尺度上，人们已经通过各种实验在较高的精度上验证了弱等效原理。而在星系尺度上，则可以通过比较某个天体源发出的不同粒子的到达时刻来检验弱等效原理。 

　　由大质量星系引起的引力时延与γ + 1 成正比，这里的γ是一个参数化后牛顿参数，在广义相对论下γ= 1。如果弱等效原理不成立时，不同粒子的γ值应有所不同，所以人们用Δ γ来表示对弱等效原理的偏离程度，将其作为等效原理检验中的一个指标，Δ γ=0代表弱等效原理成立的情况。到目前为止，人们已经利用伽玛射线暴、快速射电暴等对|Δ γ|进行了限制，给出了|Δ γ|的上限。之前有研究工作初步地使用引力波事件GW150914的观测结果，对|Δ γ|给出了10^-9 的上限。 

图注：宇宙学距离的比萨斜塔实验的艺术想象图

　　据该工作的通讯作者、韩文标研究员介绍，相比于其他高能天体物理现象，引力波事件用于检验弱等效原理有一个优势，那就是可以精确地移除在引力波发射处的两个引力子被“扔出去”的时间差。毕竟，无论是伽利略还是黑洞，都不能保证能绝对同时地扔下两个“球”；而伽马暴等天文现象的复杂机制，使得人们很难确定不同光子发出时的内禀时延。 

　　利用引力波这一独特优势，在韩文标课题组的最新工作中，他们利用已公开的10个引力波事件的数据对|？γ|进行了限制。他们在LIGO已有的波形模板基础上，加入了一个以|Δ γ|作为参数的修正项，利用修正后的引力波波形模板对已公布的10个双黑洞并合引力波事件数据进行贝叶斯分析，从而得到了|Δ γ|的上限。该工作的第一作者、上海天文台的研究生杨舒程介绍，在这十个引力波事件中，得到的对|Δ γ|最好的限制表明|Δ γ| 约在 10^-40量级（90%置信水平的上限是10^-16），这远高于其他天体物理手段的限制结果。在未来LIGO-Virgo合作组织和其他引力波探测器会观测到更多的的引力波事件，因此利用引力波对Δ  γ的限制还会越来越好。 

　　论文链接： 

　　 https://doi.org/10.1093/mnrasl/slaa143 

　　科学联系人： 

　　韩文标，中国科学院上海天文台，wbhan@shao.ac.cn 

　　新闻联系人： 

　　左文文，中国科学院上海天文台，021-34775125, wenwenzuo@shao.ac.cn