利用双中子星引力波观测约束引力常数随时间的变化

我们提出一种利用并合双中子星的引力波(GW)观测来约束引力常数 $G$ 随宇宙时间变化的方法。该方法本质上依赖于这样一个事实:在特定宇宙时期,中子星所允许的最大和最小质量与该时期 $G$ 的值具有简单的依赖关系。引力波携带着并合时刻 $G$ 值的印记。因此,若并合时的 $G$ 值与其当前值显著不同,则由引力波观测推断出的中子星质量将与理论允许的范围不一致。这使我们能够对从并合时期到当前时期 $G$ 的变化施加界限。利用双中子星系统 GW170817 的观测,我们约束并合时期与当前时期之间 $G$ 的相对差异在 $-1 \lesssim \Delta G/G \lesssim 8$ 范围内。假设 $G$ 单调变化,这对应于这两个时期之间平均变化率的界限 $-7 \times 10^{-9}~\mathrm{yr}^{-1} \le \dot{G}/G \le 5 \times 10^{-8}~\mathrm{yr}^{-1}$。未来的观测将对其他观测所未探测的广阔宇宙时期中 $G$ 的偏离给出严格约束。