拉索精确测量迄今最亮伽马射线暴高能辐射能谱

2022年10月9日，国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”（简称“拉索”）发现了史上最亮伽马暴GRB 221009A。一年之后，由中国科学院高能物理研究所牵头的拉索国际合作组精确测量了它的高能辐射能谱，开启了新物理探索之门。

图片由中国科学院高能物理研究所提供

这一成果于北京时间11月16日发表在学术期刊《科学进展上》。这一结果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。

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，携带着很多宇宙的奥秘。2022年10月9日拉索记录到来自伽马暴GRB 221009A，它产生于遥远的宇宙深处、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。经过24亿年的宇宙旅行，能量高达10TeV的伽马光子才到达地球。拉索精细测量了其TeV辐射随时间完整的变化行为，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。

“捕捉到GRB 221009A充分显示了拉索的能力。这一年来，我们分析了其成因，发现了一些与现有伽马暴理论的相悖之处。”拉索首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻介绍，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，其辐射强度就衰减得越快，理论上很难被拉索探测到。但拉索对GRB 221009A辐射能谱的精确测量却发现伽马暴辐射一直延伸到13TeV。“这个结果意味着伽马暴余辉的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，对伽马暴余辉标准模型提出了挑战。”

曹臻解释，高能伽马光子在飞行时会被宇宙中弥漫的背景光吸收，伽马光子能量越高被吸收得越强烈；反之，科学家们也是根据伽马射线被吸收的程度，来判断宇宙背景光的强度与性质。而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。

“按照这个理论，我们能够探测到银河系内PeV伽马光子，因为它的源距离地球足够近。但很难探测到来自遥远星系的10TeV伽马光子，因为它的源距离地球太远了，在达到地球的过程中就被吸收了。”曹臻说：“GRB 221009A的极高亮度使我们有机会探测到来自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，1TeV伽马光子飞行24亿光年被背景光吸收的概率约为80%，而10TeV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，我们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强度仅为现有宇宙学模型预期的40%左右。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。”

“当然，也可能标准的宇宙演化模型是正确的，那么，就意味着存在某种超出当前粒子物理标准模型的新物理机制。”曹臻介绍，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，从而解释拉索观测到的高能伽马能谱。再比如，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，轴子的存在也可以解释高能伽马光子弱吸收现象。

“拉索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。”曹臻说：“拉索发布了最亮伽马暴的精确伽马光子能谱，预期将会引发更多相关新物理的研究。”

（光明日报全媒体记者齐芳）

原标题：《拉索精确测量迄今最亮伽马射线暴高能辐射能谱》

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