中國網/中國發展門戶網訊（記者 王振紅） 國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”（簡稱“拉索”）正式發佈了迄今最亮的伽馬射線暴（簡稱“伽馬暴”，編號GRB 221009A）的高能伽馬輻射的精確能譜。“這項結果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於預期。同時，該能譜為檢驗愛因斯坦相對論的適用範圍、探索暗物質候選粒子——軸子等新物理研究方面提供了重要資訊。”中國科學院高能所研究員陳松戰表示。

據介紹，相關結果于美國東部時間11月15日在《科學進展》（Science Advances）上發表，由中國科學院高能物理研究所牽頭的“拉索”國際合作組完成。

“拉索（LHAASO）”精確測量到迄今最亮伽馬射線暴的高能輻射能譜。中國科學院高能物理所供圖

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，是宇宙大爆炸之後最劇烈的天體爆炸現象，最早在1967年被發現，2019年以來人類發現了3例伽馬暴輻射光子的最高能量達到1TeV（1 TeV=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 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。GRB 221009A是史上最亮伽馬暴，産生於一顆比太陽重20多倍的大品質恒星在燃料耗盡時的塌縮爆炸，此前“拉索”精細測量了其TeV輻射隨時間完整的變化行為，確定了其輻射起源於余輝輻射，並揭示了記錄到此伽馬暴歷史最亮的成因，相關成果于2023年6月在《科學》（Science）上發表。在伽馬暴標準模型中，余輝輻射起源於以接近光速飛行的爆炸物與周圍環境氣體物質的碰撞，碰撞産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，其輻射強度就衰減得越快，但本次‘拉索’對其輻射能譜的精確測量卻發現伽馬暴輻射一直延伸到13 TeV。該能譜對伽馬暴余輝標準模型提出了挑戰，預示著伽馬暴余輝的10TeV左右光子可能産生於更複雜的粒子加速過程或者存在新的輻射機制。”中國科學院高能所研究員、“拉索”首席科學家曹臻説。

高能伽馬光子在飛行時會被宇宙中瀰漫的背景光吸收，伽馬光子能量越高被吸收得越強烈，這就是“拉索”能夠探測到來自銀河系內天體的PeV（1 PeV=1000TeV）伽馬光子，卻很難探測到來自遙遠伽馬暴10TeV光子的原因。反過來，根據伽馬射線被吸收的程度，也可以研究宇宙背景光的強度與性質。宇宙背景光是宇宙中不同距離處所有的星系輻射産物的總和，與宇宙演化密切相關。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産生的高能伽馬光子。曹臻表示，“按照目前的宇宙演化模型，1TeV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99.5%。本次基於‘拉索’測量的精確能譜，推算出宇宙背景光對高能伽馬光的吸收低於預期，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。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。”

如果標準的宇宙演化模型正確，宇宙背景光對高能伽馬光子的吸收低於理論預期也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。比如，作為愛因斯坦狹義相對論基礎的洛倫茲對稱性如果有非常微小的破壞，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。“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。如今‘拉索’發佈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。”陳松戰解釋説。

“拉索”測量的GRB221009A在230-300秒和300-900秒兩段時間的伽馬射線能譜，空心點為地球上測量到的伽馬射線流強，實心點為24億光年外伽馬暴發出的伽馬射線流強。

國家重大科技基礎設施“拉索”位於四川省稻城縣海拔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台廣角切倫科夫望遠鏡組成的複合陣列。“拉索”于2021年7月建成並開始高品質穩定運作，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的天區範圍，這次發現充分體現了“拉索”國際領先的靈敏度和獨特優勢。