精测迄今最亮伽马暴高能辐射能谱 中国“拉索”开启新物理探索之门

　　 中新网 北京11月16日电 (记者 孙自法)中国国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站”(LHAASO，简称“拉索”)最新又取得一项重要观测研究成果——精确测量并正式发布迄今最亮的、编号GRB 221009A伽马射线暴(伽马暴)的高能伽马辐射能谱。

　　这项成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，该高能辐射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。

大科学装置“拉索”最新发表观测研究成果的艺术想像图。中国科学院高能所 　供图

　　被学界誉为“‘拉索’开启新物理探索之门”的这一成果由中国科学院高能物理研究所(高能所)领衔“拉索”国际合作组完成，相关研究论文北京时间11月16日凌晨在国际学术期刊《科学进展》(Science Advances)上线发表。

　　确定起源于余辉辐射并揭示最亮成因

　　中国科学院高能所“拉索”团队介绍说，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，也是宇宙大爆炸之后最剧烈的天体爆炸现象，最早在1967年被发现，2019年以来人类仅发现3例伽马暴辐射光子的最高能量达到1万亿电子伏特(TeV)。其中，2022年10月9日“拉索”观测记录到来自伽马暴GRB 221009A高达10万亿电子伏特以上的伽马光子，在60年的伽马暴研究历史上具有里程碑意义。

大科学装置“拉索”航拍图。中国科学院高能所 　供图

　　作为史上最亮伽马暴，GRB 221009A产生于一颗比太阳重20多倍的大质量恒星在燃料耗尽时的塌缩爆炸，“拉索”此前已精细测量其万亿电子伏特辐射随时间完整的变化行为，确定其辐射起源于余辉辐射，并揭示该伽马暴历史最亮的成因，相关成果2023年6月在《科学》(Science)期刊发表。

　　促重新考虑宇宙星系形成和演化过程

　　“拉索”团队指出，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，但本次拉索对其辐射能谱的精确测量却发现伽马暴辐射一直延伸到13万亿电子伏特。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10万亿电子伏特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。

“拉索”测量的GRB　221009A在230-300秒和300-900秒两段时间的伽马射线能谱，空心点为地球上测量到的伽马射线流强，实心点为24亿光年外伽马暴发出的伽马射线流强。“拉索”团队 供图

　　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，这就是拉索能够探测到来自银河系内天体的千万亿电子伏特(PeV)伽马光子，却很难探测到来自遥远伽马暴10万亿电子伏特光子的原因。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。

　　伽马暴 GRB 221009A的极高亮度使“拉索”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，1万亿电子伏特伽马光子飞行24亿光年被背景光吸收的概率约为80%，而10万亿电子伏特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，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。这一结果将促使科学家们重新考虑宇宙中星系的形成和演化过程。

　　预期将会引发更多相关物理研究

　　“拉索”团队表示，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超出当前粒子物理标准模型的新物理机制。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，从而能够解释拉索观测到的高能伽马能谱。

资料图：“拉索”探测器阵列。 中新网 记者 孙自法 摄

　　另一方面，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拉索观测到的高能伽马光子弱吸收现象。

　　他们认为，“拉索”此次发布迄今最亮伽马暴的精确伽马光子能谱，充分体现“拉索”国际领先的灵敏度和独特优势。最新研究成果也堪称开启了新物理探索之门，预期将会引发更多相关物理研究。

资料图：“拉索”探测器阵列。 中新网 记者 孙自法 摄

　　大科学装置“拉索”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由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，是目前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。(完)

【编辑:张燕玲】