川观新闻记者 文露敏

11月16日，川观新闻记者从中国科学院高能物理研究所获悉，国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”（简称“拉索”）正式发布了迄今最亮伽马射线暴（简称“伽马暴”，编号GRB 221009A）的高能伽马辐射的精确能谱，相关结果于美国东部时间11月15日在《科学进展》（Science Advances）上发表，由中国科学院高能物理研究所牵头的拉索国际合作组完成。

“拉索”打开新物理探索之门

“拉索”是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施，位于甘孜州稻城县海子山，于2021年7月建成并开始稳定运行。2022年10月，“拉索”探测到迄今最亮的伽马暴，记录下高达10万亿电子伏特以上的伽马光子。

高海拔宇宙线观测站“拉索”

伽马暴是宇宙大爆炸之后，人类已知最剧烈的天体爆炸现象。本次成果揭示了宇宙的哪些奥秘？记者采访了多位拉索国际合作组专家。

发现：挑战传统模型

“能谱描述的是亮度随能量的变化情况，以此为工具，我们可以开展多项深入的物理研究。本次精确能谱的发布，对传统的伽马暴余辉标准辐射模型和宇宙演化模型提出了挑战。”中国科学院高能物理研究所研究员、天府宇宙线研究中心副主任陈松战解释。

“拉索”测量的GRB221009A在230-300秒和300-900秒两段时间的伽马射线能谱，空心点为地球上测量到的伽马射线流强，实心点为24亿光年外伽马暴发出的伽马射线流强。

最早的伽马暴在1967年被发现。2019年以来，人类发现的3例伽马暴辐射光子中，最高能量达到1万亿电子伏特。“拉索”首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员、天府宇宙线研究中心主任曹臻表示，凭借对上万个伽马暴的观测，科学家们已经建立了理论模型。而凭借国际领先的灵敏度和独特优势，“拉索”首次记录了10万亿电子伏特伽马射线亮度，覆盖了增强和衰减的整个阶段，为理论模型的精确检验提供了实验基础。

今年6月，拉索国际合作组发表于《科学》（Science）杂志的研究表明，本次伽马暴产生于一颗比太阳重20多倍的大质量恒星在燃料耗尽时的塌缩爆炸，其辐射起源于初始阶段巨大爆炸后，接近于光速的爆炸物与周围环境气体物质碰撞产生的余辉辐射。在传统伽马暴标准模型中，余辉辐射的光子能量越高，辐射强度就衰减得越快，但本次“拉索”对其辐射能谱的精确测量却发现，伽马暴辐射一直延伸到13万亿电子伏特。

“这预示着伽马暴余辉的10万亿电子伏特左右光子可能产生于更复杂的粒子加速过程或者存在新的辐射机制。”陈松战表示。

猜想：可能存在某种新物理机制

研究人员还发现，宇宙背景光在红外波段强度低于预期。宇宙背景光是宇宙中不同距离处所有星系辐射产物的总和，与宇宙演化密切相关。“产生于24亿光年外的高能伽马光子在飞行中必须穿过这层由宇宙中弥散的光子组成的‘迷雾’，在过程中，还可能会被吸收。”中国科学院高能物理研究所研究员毕效军表示。

按照目前的宇宙演化模型，1万亿电子伏特伽马光子飞行24亿光年被背景光吸收的概率约为80%，而10万亿电子伏特伽马光子被吸收的概率则超过99.5%。而本次基于“拉索”测量的精确能谱，推算出红外波段宇宙背景光强度仅为现有模型预期的40%左右。“也就是说，‘迷雾’可能变薄了，宇宙变‘透明’了。”毕效军说。

这些发现可能需要用新的理论来诠释。“当然，如果标准的宇宙演化模型正确，就意味着可能存在某种超出当前粒子物理标准模型的新物理机制。”陈松战补充。

比如，作为爱因斯坦狭义相对论基础的洛伦兹对称性如果有非常微小的破坏，这种效应在伽马光子24亿光年的长距离飞行中就会被放大为可观测现象，从而能够解释“拉索”观测到的高能伽马能谱。

另一方面，作为当前被广泛讨论的暗物质候选粒子之一，标准模型之外的一种新粒子——轴子的存在也能解释“拉索”观测到的高能伽马光子弱吸收现象。“可以猜想，光子转化为轴子后，可以不被宇宙背景光所吸收，之后又震荡回明亮的物质抵达地球，就像‘穿墙术’一样。”曹臻说。

“迄今最亮伽马暴高能辐射能谱的公布，开启了新物理探索之门，一些以前人们深信不疑的问题，现在可以脑洞大开。”曹臻展望，成果发布之后，将会引发更多相关物理研究。

实际上，“拉索”探测到的迄今最亮的伽马暴还有很多“谜题”待解。南京大学天文与空间科学学院教授王祥玉举例，比如，伽马暴中是否有强子辐射的存在，其喷流成分的组成等等。“‘拉索’观测到的迄今最亮伽马暴，就像一座‘富矿’，还需要持续‘挖宝’。”

新闻多一点

“拉索”已有哪些关键成果？

·1/2阵列试运行时，在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，并记录到1400万亿电子伏特的伽马光子，这是人类观测到的最高能量光子，开启了“超高能伽马天文学”时代，有助于进一步解开宇宙线起源的奥秘。相关成果于2021年5月发表于《自然》杂志。

·2021年7月，精确测量了高能天文学“标准烛光”——蟹状星云的超高能段亮度，记录到能量达1100万亿电子伏特的伽马光子。

·2022年10月，探测到迄今最亮的伽马射线暴，打破了多项伽马射线暴观测纪录。相关成果于2023年6月发表于《Science》杂志，解释了此伽马射线暴历史最亮的秘密。

·2023年5月，“拉索”第一个伽马射线源星表正式发布，包含90颗甚高能伽马射线源，其中32颗为新发现，43颗为大于100万亿电子伏特的超高能伽马射线源。

·2023年11月，正式发布迄今最亮伽马射线暴的高能辐射能谱，挑战了传统的伽马暴余辉的标准辐射模型，揭示出宇宙背景光在红外波段强度低于预期。同时，该能谱为检验爱因斯坦相对论的适用范围、探索暗物质候选粒子——轴子等新物理研究方面提供了重要信息。

（中国科学院高能物理研究所供图）

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