“拉索”發布迄今最亮伽馬射線暴高能輻射精確能譜

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11月16日，高海拔宇宙線觀測站（以下簡稱“拉索”） 在《科學進展》上，正式發布迄今最亮的伽馬射線暴——GRB 221009A的高能伽馬輻射的精確能譜。

“拉索”首席科學家、中國科學院高能物理研究所研究員曹臻介紹，該能譜挑戰了傳統的伽馬暴余輝的標準輻射模型，揭示出宇宙背景光在紅外波段強度低于預期，也為檢驗愛因斯坦相對論的適用范圍、探索暗物質候選粒子——軸子等新物理研究方面提供了重要信息。

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成果示意圖。中國科學院高能物理研究所供圖

挑戰伽馬暴標準模型

伽馬暴是來自天空中某一方向的伽馬射線突然增強的閃爍現象，是宇宙大爆炸之后最劇烈的天體爆炸現象，最早在1967年被發現。

2019年至2022年，人類共發現了3例伽馬暴輻射光子最高能量達到1萬億電子伏特。

2022年10月9日,“拉索”記錄到來自伽馬暴GRB 221009A高達10萬億電子伏特以上的伽馬光子，在60年的伽馬暴研究歷史上具有里程碑意義。

作為迄今最亮伽馬暴，GRB 221009A產生于一顆比太陽重20多倍的大質量恒星。該大質量恒星在燃料耗盡時塌縮爆炸，釋放出強烈輻射。

此前，“拉索”精細測量了這次輻射的完整變化行為，確定該輻射起源于余輝輻射，并揭示了此伽馬暴之所以是歷史最亮的原因，相關成果于2023年6月在《科學》雜志上發表。

在伽馬暴標準模型中，以接近光速飛行的爆炸物與周圍環境氣體物質碰撞，產生的高速激波會把電子加速到非常高的能量，這些電子進一步撞擊周圍的光子，形成高能伽馬輻射，即余輝輻射。

理論上，光子能量越高，輻射強度就衰減得越快，然而，本次“拉索”對輻射能譜的精確測量卻發現，盡管光子能量大到10萬億電子伏特以上，但伽馬暴輻射強度不僅沒有衰減，反而一直延伸到13萬億電子伏特。

“該能譜對伽馬暴余輝標準模型提出了挑戰。”“拉索”國際合作組物理協調人、中國科學院高能物理所研究員陳松戰說。

他們判斷，這種違反標準模型的現象預示著，伽馬暴余輝的10萬億電子伏特左右光子，可能產生于更復雜的粒子加速過程或者存在新的輻射機制。

挑戰宇宙演化模型

高能伽馬光子在飛行時會被宇宙中彌漫的背景光吸收。宇宙背景光是宇宙中不同距離處所有的星系輻射產物的總和，與宇宙演化密切相關。

伽馬光子能量越高，被吸收得越強烈。于是，科研人員反其道而行，根據伽馬射線被吸收的程度，研究宇宙背景光的強度與性質，進而理解宇宙演化過程。

“GRB 221009A的極高亮度，使我們有機會探測到來自24億光年外宇宙深處所產生的高能伽馬光子，以及宇宙背景光對它的吸收情況。”陳松戰說。

按照目前的宇宙演化模型，1萬億電子伏特伽馬光子飛行24億光年，被背景光吸收的概率約為80%，而10萬億電子伏特伽馬光子被吸收的概率則超過99.5%。

然而，科研人員基于“拉索”測量的精確能譜推算發現，宇宙背景光對高能伽馬光的吸收低于預期，紅外波段宇宙背景光強度僅為現有宇宙學模型預期的40%左右。

當然，也有一種可能是標準的宇宙演化模型依然正確。“那么，宇宙背景光對高能伽馬光子的吸收低于理論預期，可能意味著存在某種超出當前粒子物理標準模型的新物理機制。”曹臻說。

他介紹，這種超出標準模型的新物理機制也有很多可能。

其中的一種可能是作為愛因斯坦狹義相對論基礎的洛倫茲對稱性存在非常微小的破壞。“這種效應在伽馬光子24億光年的長距離飛行中就會被放大為可觀測現象，從而能夠解釋‘拉索’觀測到的高能伽馬能譜。”曹臻說。

另一種可能是“軸子”在起作用。“軸子是標準模型之外的一種新粒子，也是當前被廣泛討論的暗物質候選粒子之一，軸子的存在也可以解釋‘拉索’觀測到的高能伽馬光子弱吸收現象。”曹臻說。

開啟新物理之門

“這一結果將促使人們重新考慮宇宙中星系的形成和演化過程。”曹臻說。

在曹臻看來，如今，“拉索”發布了最亮伽馬暴的精確伽馬光子能譜，開啟了新物理探索之門，預期將會引發更多相關物理研究。

“輻射能譜展現出了一些新現象，至于怎么解釋，還沒有主流的說法，這將激發全球的科學家們共同思考。”曹臻說。

“拉索”是國家重大科技基礎設施，位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，是由5216個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器組成的一平方公里地面簇射粒子探測器陣列、7.8萬平方米水切倫科夫探測器陣列以及由18臺廣角切倫科夫望遠鏡組成的復合陣列。

2021年7月，“拉索”建成并開始高質量穩定運行，是國際上最靈敏的超高能伽馬射線探測裝置，具有大視場和全天候的特點，每天可以監視2/3的天區范圍。

曹臻介紹，未來，“拉索”也將繼續等待更多的伽馬暴現象，并嘗試尋找未知謎題的答案。