近日，Nature旗下期刊《Communications Physics》发表了由郑州大学、重庆大学、中国科学院力学研究所、北京大学、大连理工大学和香港理工大学的学者合作完成的研究论文《Testing the strong equivalence principle with multimessenger binary neutron star mergers》（“利用多信使双中子星并合检验强等效原理”）。该研究围绕引力常数是否随时间发生变化这一基础物理问题，建立了同时包含时变引力常数对中子星结构、致密双星动力学和引力波宇宙学传播影响的统一波形模型，并结合双中子星并合事件GW170817及其电磁对应体GRB 170817A开展完整的多信使贝叶斯分析。研究未发现引力常数随时间变化的显著证据，并给出了迄今基于真实引力波观测得到的最严格时变引力常数约束。

图1: 基于引力波与伽马射线暴多信使观测的强等效原理检验示意图。

该研究联合分析来自约4000万光年外NGC 4993星系的引力波与伽马射线暴信号，通过比较并合源区与地球附近的万有引力常数是否一致，检验强等效原理。

强等效原理是广义相对论的基本原理之一，其重要推论是牛顿引力常数 G 不随时间和空间位置发生变化。因此，检验 G 是否随时间变化，是检验强等效原理和寻找超越广义相对论新物理的重要途径。月球激光测距、脉冲星计时和宇宙微波背景等观测已给出严格限制，但主要针对弱场或准静态环境。在中子星等强自引力天体参与的强引力、强动力学过程中开展检验，仍是引力物理的重要课题。

引力波为这一问题提供了新的观测窗口。GW170817 是首个同时探测到引力波和电磁对应体的双中子星并合事件，其对应的 GRB 170817A 及后续多波段观测为源的距离、位置和轨道倾角提供了独立信息，可有效削弱这些参数与超出广义相对论的新物理效应之间的退化，为利用真实多信使数据检验强等效原理提供了理想平台。

研究团队系统考虑了时变引力常数对引力波产生和传播的共同影响。在源端，G 的变化会改变中子星质量和双星轨道演化，并在引力波相位中留下特征修正。团队针对不同中子星物态方程数值求解 Tolman–Oppenheimer–Volkoff（TOV）方程，获得中子星质量对 G 变化的响应，从而提高模型的自洽性。在传播端，团队进一步在 Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker（FLRW）宇宙背景下推导了时变 G 对引力波传播的修正，并将其与源端相位修正统一纳入同一引力波模板，从而同时描述中子星结构、双星动力学和宇宙学传播中的时变 G 效应。

基于这一模型，团队使用 LIGO Hanford 和 Livingston 探测器的 GW170817 真实引力波观测数据进行贝叶斯参数估计，并分别采用 TaylorF2 和 IMRPhenomXAS_NRTidalv2 波形检验结果的稳健性。同时结合 GRB 170817A 及其后随观测提供的电磁约束。两种波形模型均未发现相对于广义相对论的统计显著偏离，并得到一致的约束结果。

最终，研究团队得到保守的 3σ 约束：引力常数相对变化率：−3.36 × 10⁻⁹ ～ 5.34 × 10⁻¹⁰ yr⁻¹（3σ）。该结果将引力常数可能的时间变化限制在约十亿分之一每年的量级，是目前利用真实引力波观测数据获得的最严格约束。

该研究表明，多信使引力波观测不仅可以研究致密天体和宇宙学，也能够成为检验基础引力理论的重要工具。随着未来双中子星多信使事件的积累以及第三代引力波探测器投入运行，这一方法有望进一步提升对时变引力常数及其他广义相对论偏离效应的检验精度。

论文作者包括朱杰、宋翰林、吕振伟、李昊、姬佩祥、王俊谌、燕浩波和马伯强。朱杰与宋翰林为共同第一作者，宋翰林、吕振伟、李昊和马伯强为通讯作者。

论文信息

Jie Zhu, Hanlin Song, Zhenwei Lyu, Hao Li, Peixiang Ji, Jun-Chen Wang, Haobo Yan, and Bo-Qiang Ma

Testing the strong equivalence principle with multimessenger binary neutron star mergers

Communications Physics (2026)

链接：https://doi.org/10.1038/s42005-026-02878-z