一、伽玛射线暴及其余辉物理的理论研究

         伽玛射线暴（简称伽玛暴）是起源于大质量恒星坍缩（长伽玛暴）或者致密双星并合（短伽玛暴）的短时标极端剧烈的高能灾变天体，是宇宙大爆炸之后最猛烈的爆发现象，也是宇宙宏观速度最快的天体。伽玛暴本身辐射及其余辉辐射来自新生黑洞或者磁星所驱动的极端相对论喷流，并且理论上预期其还伴随强引力波、高能中微子和高能宇宙线辐射。因此，伽玛暴是研究黑洞（或者磁星）物理、粒子物理、相对论物理、高能宇宙线物理、高能中微子物理的极端条件天体实验室，是多信使天文、时域天文观测的重要目标源。同时，伽玛暴还是研究宇宙早期恒星形成和演化、高红移星系、高红移宇宙学的重要探针，目前探测到的最遥远的伽玛暴红移高达9.4。伽玛暴研究横跨当今天文学、宇宙学、物理学等学科领域，为科学前沿“两暗一黑三起源”（暗物质、暗能量、黑洞、宇宙起源、天体起源和宇宙生命起源）的重要研究对象。

（1）余辉理论研究

         我们最早详细研究了星风环境下的早期余辉，并指出为了与观测不矛盾，伽玛暴的前身星在爆发前其星风抛射应相当弱（Wu, Dai, Huang, & Lu, 2003, MNRAS；Zou, Wu, & Dai, 2005, MNRAS），详细研究了均匀星际介质到自由星风的任意暴周环境下伽玛暴正反激波过程及其对应的早期余辉辐射（Yi, Wu, & Dai,2013, ApJ）以及中晚期余辉的理论光变曲线（Wu, Dai, Huang, & Lu, 2005, ApJ）。

（2）X射线耀发机制研究

        伽玛暴X射线耀发是美国宇航局Swift卫星的重大发现之一。我们对X射线耀发进行了详细分析及对其动力学模型做出了限制，认为其起源可能是滞后的内激波或者滞后的外激波 （Wu, Dai, Wang, Huang,Feng, &Lu, 2007, Advances in Space Research），该工作2008年获得国际空间研究委员会（COSPAR）“青年学者杰出论文奖”（Outstanding Paper Award for YoungScientists）。另外参与提出短时标伽玛射线暴X射线耀发的大质量快转磁星模型（Dai, Wang, Wu, & Zhang, 2006, Science）。

（3）特殊伽玛暴GRB 080319B的理论解释

        2008年Swift卫星发现了史上最亮（光学波段）的宇宙学暂现源，即“裸眼伽玛暴”GRB 080319B，其光学最亮时达到5.4星等，引起了国际天文界和公众的广泛关注。作为Swift卫星该暴研究的理论组主要负责人，我们提出了该暴的双成分喷流和星风模型，成功解释了该暴的主要观测特征（Racusin, Karpov, Sokolowski, Granot, Wu, et al., 2008, Nature）。

（4）超长伽玛暴的黑洞回落吸积模型

        2010年以来，美国宇航局Swift卫星发现了几例“超长伽玛暴” （Campana et al.2011, Nature；Thone et al. 2012,Nature；Levan et al., 2014,ApJ；等等），其爆发时间长达几万秒甚至天的量级，是最近几年伽玛暴研究领域的热点话题之一。我们提出回落吸积（大质量恒星死亡时物质抛射然后回落到中心黑洞）和黑洞-吸积盘磁过程（Blandford-Znajek机制），并成功解释了超长伽玛暴GRB 121027A的长时间X 射线明亮辐射（Wu, Hou & Lei,2013,ApJ,767,L36）。

二、引力波事件电磁对应体的理论研究

        2016年2月11日，国际激光干涉引力波天文台LIGO宣布人类首次直接探测到引力波，来自GW 150914。这个重大发现不仅证实了爱因斯坦广义相对论预言，而且打开了人类聆听宇宙的新窗口。由于其电磁对应体还没有明确探测到，人们对它的认识还是非常有限。电磁对应体的探测，对证认引力波暴的天体物理起源，以及研究引力波暴本身的物理过程、宇宙超重元素起源、宇宙学哈勃常数精确测量、检验基本物理等，具有极其重要的科学意义。目前普遍认为LIGO探测到的两个引力波事例均来自两个恒星级黑洞组成的双星系统并合所致，但是双黑洞并合是否存在电磁辐射还具有很大争议。幸运的是，未来LIGO升级后预期能探测到中子星双星（另外一颗是恒星级黑洞或中子星）并合产生的引力波事件，这类事件理论上可能存在丰富的电磁信号，例如近几年国际天文界普遍关注的研究热点之一的巨新星（macronovae）。

        我们在2013年基于双中子星并合产生引力波暴的同时可能产生大质量毫秒快转的强磁场中子星（传统模型普遍认为并合产物是黑洞，因此并合后的电磁辐射理论研究都基于黑洞假设展开的）假设，预言了这种大质量磁星对并合过程中外抛物质进行能量注入导致在X射线、光学和射电多波段很明亮的辐射即将在引力波时代被地面和空间望远镜检验，其结果可以限制中子星最大质量和物态方程等重要物理量（Gao, Ding, Wu*, Zhang, & Dai, 2013, ApJ）。

        该模型成功解释了加州理工学院帕洛玛暂现源巡天项目发现的一个神秘的宇宙学起源相对论喷流产生的光学与射电暂现事件PTF11agg（Wu, Gao, Ding, Zhang,Dai, & Wei, 2014, ApJL），并且在并合产物为磁星的框架下成功解释了短伽玛暴GRB 080503暴后1天左右神秘的光学与X射线同时增亮的现象（Gao*, Ding, Wu*, Dai, & Zhang, 2015, ApJ）。

三、基本物理假设的天文学检验

（1）狭义相对论洛伦兹不变性检验

        洛伦兹不变性是爱因斯坦狭义相对论的一个基本假定。但是，一些试图统一量子力学和广义相对论的量子引力模型预言，洛伦兹不变性的假设在普朗克能标或者尺度上需要被打破，即所谓的洛伦兹不变性破缺或者变形。这种效应将导致光子在真空中的传播速度不再是光速，而是跟光子的频率有关。越是高能的光子或者中微子，受到的影响越大。

      我们在Fermi卫星科学组第一个提出利用Fermi发现的高能暴GRB 080916C中GeV光子和MeV光子到达地球的时间差对量子引力效应造成的洛伦兹不变性破坏进行限制(Abdo, A.A., et al., 2009, Science)，随后参与了利用GRB 090510进行的类似限制（Abdo, A.A., et al.,2009, Nature），这些结果排除了洛伦兹不变性线性破坏的可能性，验证了爱因斯坦狭义相对论基本假设的正确性。

        我们利用迄今为止唯一一个能谱时延数据丰富、存在从正延迟转变到负延迟特征的伽玛暴GRB 160625B，基于该暴不同能段光变曲线得到的其它高能段和最低能段光变之间的达到时间差，假设观测时间延迟既来自内禀时间延迟的贡献，又来自洛伦兹不变性破缺效应所造成的时间延迟的贡献，对一阶、二阶洛伦兹不变性破缺作出了强有力的保守限制（Wei, Zhang, Shao, Wu*, & Meszaros, 2017, ApJL）。本工作提出了一种新颖的分析方法，对目前的量子引力研究领域的发展具有潜在价值。

        我们利用最近国际冰立方中微子探测器IceCube团组声称的五个可能与伽玛暴成协的TeV中微子（IceCube collaboration, Aartsen et al., 2016, ApJ, 824, 115），我们对一阶和二阶洛伦兹不变性破缺作出了高精度的限制，限制精度与目前利用伽玛暴高能GeV光子得到的最好结果基本相当，甚至还要高出一个量级（Wei, Wu, Gao, & Meszaros, 2016, JCAP）。

（2）引力理论的弱等效原理检验

        2015年是爱因斯坦发表广义相对论的100周年。等效原理是爱因斯坦建立广义相对论和引力理论的基石。爱因斯坦等效原理预言，无静止质量（如光子）或静止质量可以忽略（如极端相对论运动的中微子）的中性粒子在引力场中传播，穿越的时间和没有引力场情况是不同的。这种效应也被称之为Shapiro延迟。弱等效原理可以通过对比宇宙学暂现源同时释放的不同能量光子在通过同一个引力场所用的时间差来检验，即比较不同能量光子在银河系引力场（甚至更大尺度的引力场）中传播对应的后牛顿参数γ值的差别是否为零。基于Shapiro时间延迟效应，我们利用不同的宇宙学暂现源开展了系列的弱等效原理检验。

        我们首先利用伽玛射线暴不同能量光子（从光学到伽玛射线）到达地球的时间差，在10^(-7)精度上验证了弱等效原理，并且我们的结果通过后牛顿参数γ的绝对值大小，将广义相对论正确性的证明，在电磁波谱上从光学波段一直延伸到了GeV能段（Gao, Wu*, & Meszaros, 2015, ApJ）。此外，我们还首次利用TeV blazars将弱等效原理的检验推广到TeV能段（Wei*, Wang, Gao & Wu*, 2016, ApJL）。这2个工作被美国天文学会网站AAS Nova 2016年6月6日“研究亮点”（Highlight）以题为“Testing OurFundamental Assumptions”宣传报道。

        自2007年以来，快速射电暴作为一类新的持续时标为毫秒量级的射电爆发事件引起了天文界的广泛关注。我们利用观测到的快速射电暴数据，将后牛顿参数γ的差异上限限制到10^(-8)量级，并且把对爱因斯坦广义相对论的检验扩展到了射电波段（Wei, Gao, Wu*, & Meszaros, 2015, Phys. Rev. Lett., 115, 261101, Editors'Suggestion）。此工作被包括Phys.org、ScienceDaily等10多家具有广泛影响力的国外媒体所报导，Phys.org评价：“a significant tribute to Einstein on the 100th anniversary of his firstformulation of the Equivalence Principle”(“在爱因斯坦等效原理公式化100周年对他的重要致敬”)。快速射电暴第一个发现者Duncan Lorimer教授在2016年Nature的“News & Views”（vol.530, p.427）展望中提到我们的工作：“A large census ofFRBs will not only add to our understand-ing of their population, but also mapout the cosmic web in great detail, provide stringent tests of generalrelativity,...”。该成果入选2015年度中国“十大天文科技进展”。

        2016年2月LIGO科学合作组织正式宣布人类第一次直接探测到了引力波，自此引力波研究宇宙的窗口被正式打开。我们利用第一个引力波事件GW 150914的引力波信号，即不同频率引力波到达地球的时间差，在引力波窗口第一次高精度检验了弱等效原理（Wu, Gao, Wei, Mészáros, Zhang, Dai, Zhang, & Zhu, 2016, Phys. Rev. D）。New Scientist杂志关注了此工作，于LIGO公布首次直接探测到引力波消息的一周后在题为“Four big cosmology secrets gravitational waves could uncover”的Daily News中，把“等效原理”列入引力波能揭开的宇宙学4大谜团之一。

        我们还基于本超星系团Laniakea引力势对弱等效原理进行了进一步的检验，检验精度可以提升4到5个量级（Luo, Zhang, Wei,& Wu*, 2016, JHEAp）。

        此外，我们还基于光线偏折效应在另一种原理上对弱等效原理进行检验。根据20个AGN核心在各个射电频率上相对15.37 GHz核心位置的漂移量（Sokolovsky et al. 2011），我们在较宽的射电波段上较好地给出了弱等效原理的检验精度（Zhang, Wei, Gao, & Wu*, 2016, JHEAp）。

（3）限制光子静止质量

        物理学理论，尤其是麦克斯韦电磁学理论、爱因斯坦的狭义相对论以及量子电动力学（QED）都是基于一个简单的前提假设而建立的：真空中的光速对于一切电磁波（从射电波到伽玛射线）而言都是一个等于c的常数，即光子是零静止质量的粒子。因此光速在整个电磁波谱上是否恒为常数，对于物理学来说是一个基本性的问题。若光子静止质量非零（massive photons），则众多关键物理理论就会受到影响，最直接的就是经典电动力学的麦克斯韦方程将会被改写为Proca方程，对应的一系列基于麦克斯韦方程的物理学研究将需要修正。国际上相关研究提出Massive photons可能解释暗物质、宇宙暴胀、电荷守恒、磁单极、Higgs玻色子等等物理学基本问题，同时在应用物理、超导等领域被关注（如Retino et al., 2016, Astroparticle Phys.），甚至有学者提出若光子静止质量为10^(-67)克，其对宇宙演化的影响与目前的标准宇宙学模型LCDM以及宇宙学常数一致（如Kouwn, Oh, & Park, 2016, Phys. Rev. D）。

        限制光子静止质量的主要方法有实验室检验和天体物理检验（Tu, Luo, & Gillies, 2005, Rep.Prog. Phys.）。实验室检验主要基于安培定律和库伦定律（如Tu et al., 2006, Phys. Lett. A）。天体物理检验包括：等离子体波动（如Ryutov 2007, Plas. Phys. Control Fusion）、多波段光子时间延迟（如Schaefer 1999, Phys.Rev. Lett.），引力透镜（如Accioly & Pazszko 2004,Phys. Rev. D），气体稳定性（如Chibisov 1976, Sov. Phys. Usp.）。

        当前国际Particle Data Group采纳的光子质量上限是1.783 × 10^(？51)克（Olive et al. 2014, Chin. Phys. C）。这一数值是利用对行星际磁场磁流体（MHD）现象的观测测量而得（Ryutov 2007）。此外，Chibisov (1976)通过分析星系中磁化气体的稳定性，给出了一个更严格的上限3 × 10^(？60)克，不过该结果取决于位力定理的成立性以及其他假设，所以并未被广泛接受。Goldhaber & Nieto (2003, Phys. Rev. Lett.)还考虑了后发星系团中等离子体的稳定性，给出了光子质量10^(？52)克的上限。然而由于天文学上的MHD现象可能非常复杂，这样的限制在很多情况下都是依赖于模型假设（Retino et al., 2016）。Goldhaber & Nieto在2010 年的Review of Modern Physics综述中指出：“Quoted photon-mass limits have at times been overly optimistic in thestrengths of their characterizations. This is perhaps due to the temptation toassert too strongly something one knows to be true”。

        根据爱因斯坦狭义相对论，如果光子静止质量不为零，那么会引起光子速度的色散，即光子在真空中的传播速度不再是光速，而是跟光子的频率有关。频率越高的光子其速度也越快。假设某一天体同时发出两个不同频率的光子（通常采用短时标爆发天体），则通过测量不同光子到达探测器的飞行时间差，来限制光子静止质量。由于时间延迟法背后的基本原理很简单，而且不依赖于任何特定的模型，由此可以得到更可靠的限制。

        这方面的系列研究所用到的天文现象包括伽玛暴、高红移处的Ia型超新星、耀变体、蟹状星云脉冲星等。之前利用这种色散方法最好的天文学检验是由伽玛暴GRB 980703的射电余辉相对瞬时伽玛射线辐射的26个小时的时间延迟给出的，为4.2 × 10^(？44)克（Schaefer 1999, PRL）。我们基于Schaefer（1999）的工作并加以改进，利用更多的伽玛暴射电余辉，把伽玛暴对光子静止质量的上限限制提高了半个量级（Zhang, Chai, Zou, & Wu*, 2016, JHEAp）。此外，我们还利用大、小麦哲伦星云的2颗射电脉冲星不同射电频率脉冲到达地球的时间差，把光子静止质量的上限再提高了半个量级，达到10^(？45)克（Wei, Zhang, Zhang, & Wu, 2017, RAA）。

        最近，我们首次提出利用可能宇宙学起源的快速射电暴来更高精度地限制光子静止质量。通过分析快速射电暴（如FRB 150418）不同频率射电光子的到达时间差，光子静止质量的上限被限制到10^(-47)克。这一结果是目前使用相同实验方法的最好限制结果，比之前相关限制至少要提高了2-3个量级（Wu, Zhang, Gao, Wei, Zou, Lei, Zhang, Dai, & Meszaros, 2016, ApJL）。此工作被美国天文学会网站AAS Nova 2016年6月6日“研究亮点”（Highlight）以题为“Testing OurFundamental Assumptions”宣传报道。