拉索測(cè)量的GRB 221009A在230-300秒和300-900秒兩段時(shí)間的伽馬射線能譜，空心點(diǎn)為地球上測(cè)量到的伽馬射線流強(qiáng)，實(shí)心點(diǎn)為24億光年外伽馬暴發(fā)出的伽馬射線流強(qiáng)。

11月16日，記者從中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所獲悉，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO，中文簡(jiǎn)稱“拉索”）正式發(fā)布了迄今最亮的伽馬射線暴（簡(jiǎn)稱“伽馬暴”，編號(hào)GRB 221009A）的高能伽馬輻射的精確能譜（能譜指亮度隨光子能量的分布曲線），該結(jié)果挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的伽馬暴余輝的標(biāo)準(zhǔn)輻射模型，揭示出宇宙背景光在紅外波段強(qiáng)度低于預(yù)期。同時(shí)，該能譜為檢驗(yàn)愛(ài)因斯坦相對(duì)論的適用范圍、探索暗物質(zhì)候選粒子——軸子等新物理研究方面提供了重要信息。相關(guān)結(jié)果于美國(guó)東部時(shí)間11月15日在Science Advances（《科學(xué)進(jìn)展》）上發(fā)表，由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭的拉索國(guó)際合作組完成。

新發(fā)現(xiàn)：挑戰(zhàn)傳統(tǒng)物理模型

“伽馬暴的測(cè)量，是我們對(duì)宇宙探索的重要方式。”拉索首席科學(xué)家、天府宇宙線研究中心主任曹臻介紹。伽馬暴是來(lái)自天空中某一方向的伽馬射線突然增強(qiáng)的閃爍現(xiàn)象，是宇宙大爆炸之后最劇烈的天體爆炸現(xiàn)象，最早在1967年被發(fā)現(xiàn)，2019年以來(lái)人類發(fā)現(xiàn)了3例伽馬暴輻射光子的最高能量達(dá)到1 TeV（1 TeV=1萬(wàn)億電子伏特）。2022年10月9日，拉索記錄到來(lái)自伽馬暴（GRB 221009A）高達(dá)10 TeV以上的伽馬光子，在60年的伽馬暴研究歷史上具有里程碑意義。

今年6月，拉索合作組在Science（《科學(xué)》）上發(fā)表了關(guān)于史上最亮伽馬暴（GRB 221009A）的研究。拉索精細(xì)測(cè)量了其TeV輻射隨時(shí)間變化的完整行為，確定了其輻射起源于余輝輻射，并揭示了記錄到此伽馬暴歷史最亮的成因。

中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員、天府宇宙線研究中心副主任陳松戰(zhàn)解釋，在過(guò)去對(duì)伽馬暴研究而繪制的標(biāo)準(zhǔn)模型中，余輝輻射起源于以接近光速飛行的爆炸物與周圍環(huán)境氣體物質(zhì)的碰撞，碰撞產(chǎn)生的高速激波會(huì)把電子加速到非常高的能量，這些電子進(jìn)一步撞擊周圍的光子成為高能伽馬輻射。“理論上這種輻射的光子能量越高，其輻射強(qiáng)度就衰減得越快，但本次拉索對(duì)其輻射能譜的精確測(cè)量卻發(fā)現(xiàn)伽馬暴輻射一直延伸到13 TeV（如附圖所示）。該能譜對(duì)伽馬暴余輝標(biāo)準(zhǔn)模型提出了挑戰(zhàn)，預(yù)示著伽馬暴余輝的10TeV左右光子可能產(chǎn)生于更復(fù)雜的粒子加速過(guò)程或者存在新的輻射機(jī)制。”陳松戰(zhàn)說(shuō)。

挑戰(zhàn)：出現(xiàn)物理新機(jī)制？

研究人員還發(fā)現(xiàn)，本次基于拉索測(cè)量的精確能譜，推算出宇宙背景光對(duì)高能伽馬光的吸收低于預(yù)期，紅外波段宇宙背景光強(qiáng)度僅為現(xiàn)有宇宙學(xué)模型預(yù)期的40%左右。這一結(jié)果將促使人們重新考慮宇宙中星系的形成和演化過(guò)程。

中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員畢效軍介紹，宇宙中的恒星會(huì)向外發(fā)光，這些恒星發(fā)射出來(lái)的光不會(huì)憑空消失掉，而是會(huì)“彌散”在整個(gè)宇宙中，會(huì)形成一種類似“迷霧”，這就是宇宙的背景光。宇宙背景光是宇宙中不同距離處所有的星系輻射產(chǎn)物的總和，與宇宙演化密切相關(guān)。而高能伽馬光子在飛行時(shí)會(huì)被宇宙中彌漫的背景光吸收。在傳統(tǒng)理論中，伽馬光子能量越高被吸收得越強(qiáng)烈，這就是拉索能夠探測(cè)到來(lái)自銀河系內(nèi)天體的PeV（1 PeV=1000TeV）伽馬光子，卻很難探測(cè)到來(lái)自遙遠(yuǎn)伽馬暴10TeV光子的原因。反過(guò)來(lái)，根據(jù)伽馬射線被吸收的程度，也可以研究宇宙背景光的強(qiáng)度與性質(zhì)。“本次探測(cè)到的伽馬暴的極高亮度使我們有機(jī)會(huì)探測(cè)到來(lái)自24億光年外宇宙深處所產(chǎn)生的高能伽馬光子。按照目前的宇宙演化模型，1 TeV伽馬光子飛行24億光年被背景光吸收的概率約為80%，而10 TeV伽馬光子被吸收的概率則超過(guò)99.5%。但我們這次探測(cè)到的伽馬光子，被宇宙背景光吸收的僅占預(yù)期的40%左右，這是一個(gè)非常重要的發(fā)現(xiàn)。” 畢效軍說(shuō)。

曹臻解釋，如果過(guò)去標(biāo)準(zhǔn)的宇宙演化模型正確，宇宙背景光對(duì)高能伽馬光子的吸收低于理論預(yù)期也可能意味著存在某種超出當(dāng)前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理機(jī)制。比如，作為愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論基礎(chǔ)的洛倫茲對(duì)稱性如果有非常微小的破壞，這種效應(yīng)在伽馬光子24億光年的長(zhǎng)距離飛行中就會(huì)被放大為可觀測(cè)現(xiàn)象，從而能夠解釋拉索觀測(cè)到的高能伽馬能譜。另一方面，軸子是標(biāo)準(zhǔn)模型之外的一種新粒子，也是當(dāng)前被廣泛討論的暗物質(zhì)候選粒子之一，軸子的存在也可以解釋拉索觀測(cè)到的高能伽馬光子弱吸收現(xiàn)象。

預(yù)期：引發(fā)更多物理新研究

陳松戰(zhàn)則表示，愛(ài)因斯坦的相對(duì)論在低能物理情況下是正確的，然而在高能物理情況下它可能就不太適用了，而現(xiàn)在所要檢驗(yàn)的就是，究竟在多高能的情況下這種理論會(huì)被破壞。如今拉索發(fā)布了最亮伽馬暴的精確伽馬光子能譜，開(kāi)啟了新物理探索之門，預(yù)期將會(huì)引發(fā)更多相關(guān)物理研究。

拉索是國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，是由5216個(gè)電磁粒子探測(cè)器和1188個(gè)繆子探測(cè)器組成的1平方公里地面簇射粒子探測(cè)器陣列、7.8萬(wàn)平方米水切倫科夫探測(cè)器陣列以及由18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成的復(fù)合陣列。拉索于2021年7月建成并開(kāi)始高質(zhì)量穩(wěn)定運(yùn)行，是國(guó)際上最靈敏的超高能伽馬射線探測(cè)裝置，具有大視場(chǎng)和全天候的特點(diǎn)，每天可以監(jiān)視2/3的天區(qū)范圍，這次發(fā)現(xiàn)充分體現(xiàn)了拉索國(guó)際領(lǐng)先的靈敏度和獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

拉索航拍圖