新京报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（编号GRB221009A）的高能伽马辐射的精确能谱。
该结果揭示出宇宙背景光在红外波段强度低于预期，仅为预期的40%。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。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。
“拉索（LHAASO）”精确测量到迄今最亮伽马射线暴的高能辐射能谱。中国科学院高能物理所供图
史上最亮伽马暴落在“拉索”观测范围内
伽马射线暴（简称“伽马暴”），是来自天空中某一方向的伽马射线突然增强的闪烁现象，是宇宙大爆炸之后最剧烈的天体爆炸现象。自从1967年人类发现首个伽马暴以来，已探测到近万例伽马暴。
伽马暴短至千分之一秒，长则数小时，其几秒钟辐射的能量相当于太阳100亿年辐射能量的总和。短时间的伽马暴是由两颗邻近的致密星体（黑洞或中子星）并合产生，而长时间的伽马暴是由巨大恒星（超级恒星）在燃料耗尽时坍缩爆炸产生。2019年以来，人类发现了3例伽马暴辐射光子的最高能量达到1 TeV（1 TeV=1万亿电子伏特）。
约20亿年前，一颗比太阳重20多倍的大质量恒星燃烧完其核聚变燃料，瞬间坍缩引发巨大的爆炸火球，发出了一个持续几百秒的巨大“宇宙烟花”——伽马暴。火球与星际物质碰撞产生的大量万亿电子伏特高能伽马光子穿过茫茫宇宙，径直飞向地球，于2022年10月9日抵达“拉索”的视场范围，6万多个伽马光子被“拉索”收集到。
这一伽马暴产生于距离地球24亿光年的宇宙深处，被命名为GRB221009A，是迄今史上最亮的伽马暴。“拉索”记录到来自这一伽马暴的高达10 TeV以上的伽马光子，在60年的伽马暴研究历史上具有里程碑意义。科学家推断如此亮的伽马暴扫过地球的概率是千年一次。
宇宙背景光对高能伽马光子的吸收低于理论预期
伽马暴GRB221009A将向科研人员揭示哪些宇宙的奥秘？关于它的研究也随之展开。
此前，“拉索”精细测量了其TeV辐射随时间变化的完整行为，确定了其辐射起源于余辉辐射，并揭示了记录到此伽马暴历史最亮的成因，相关成果已于2023年6月在《科学》（Science）上发表。
据中国科学院高能物理所研究员、“拉索”实验合作组物理协调人陈松战介绍，在伽马暴标准模型中，余辉辐射起源于以接近光速飞行的爆炸物与周围环境气体物质的碰撞，碰撞产生的高速激波会把电子加速到非常高的能量，这些电子进一步撞击周围的光子，成为高能伽马辐射。
理论上，这种辐射的光子能量越高，其辐射强度衰减得就越快。但本次“拉索”却通过精确测量其辐射能谱发现，伽马暴辐射一直延伸到13 TeV。该能谱对伽马暴余辉标准模型提出了挑战，预示着伽马暴余辉的10TeV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。
中国科学院高能物理所研究员、“拉索”实验合作组专家毕效军说，恒星发出的光弥散在宇宙中，这些宇宙中弥漫的背景光就像“迷雾”一样，高能伽马光子在飞行时会被这些“迷雾”吸收，伽马光子能量越高被吸收得就越强烈。所以，“拉索”能够探测到来自银河系内天体的PeV（1 PeV=1000TeV）伽马光子，却很难探测到来自宇宙深处的伽马暴10TeV伽马光子。反过来，根据伽马射线被吸收的程度，也可以研究宇宙背景光的强度与性质。
宇宙背景光是宇宙中不同距离处所有的星系辐射产物的总和，与宇宙演化密切相关。GRB221009A的极高亮度使科研人员有机会探测到来自24亿光年外宇宙深处所产生的高能伽马光子。
按照目前的宇宙演化模型，1 TeV伽马光子飞行24亿光年被背景光吸收的概率约为80%，而10 TeV伽马光子被吸收的概率则超过99.5%。本次基于“拉索”测量的精确能谱，让科研人员反过来推算出宇宙背景光对高能伽马光的吸收低于预期，红外波段宇宙背景光的强度仅为现有宇宙学模型预期的40%左右。也就是说，“迷雾”的浓度更稀薄透明，光子更容易透过。
这一结果将促使人们重新考虑宇宙中星系的形成和演化过程。
结果揭示多个可能性，开启新物理探索之门
另一方面，如果标准的宇宙演化模型正确，宇宙背景光对高能伽马光子的吸收低于理论预期，也可能意味着存在某种新物理机制，这种新机制超出当前粒子物理标准模型。
一种可能的情况是，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，从而解释“拉索”观测到的高能伽马能谱。
还有一种可能——轴子的存在也可以解释“拉索”观测到的高能伽马光子弱吸收现象。轴子是标准模型之外的一种新粒子，也是当前被广泛讨论的暗物质候选粒子之一。伽马光子和轴子转换后能够在宇宙中自由穿行而不受限制，因此高能伽马光子能够穿行更远的距离。
“‘拉索’此次发布最亮伽马暴的精确伽马光子能谱，开启了新物理探索之门，预期将会引发更多相关物理研究。”中国科学院高能物理所研究员、“拉索”项目首席科学家曹臻说。
■ 新闻背景：
“拉索”是国家重大科技基础设施，位于四川省稻城县海拔4410米的海子山，是由5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子探测器阵列、7.8万平方米水切伦科夫探测器阵列以及18台广角切伦科夫望远镜组成的复合阵列。
“拉索”于2021年7月建成并开始高质量稳定运行，是国际上最灵敏的超高能伽马射线探测装置，具有大视场和全天候的特点，每天可以监视2/3的天区范围，此次发现充分体现了“拉索”国际领先的灵敏度和独特优势。
新京报记者 张璐
编辑 陈静 校对 吴兴发
