穿越24亿光年，这群高能光子开启新物理大门

“拉索”接收到GRB221009A伽马暴高能粒子的精确能谱示意图。（“拉索”团队供图）制图：冯晓瑜

宇宙“迷雾”并不像之前想象的那么浓密？暗物质粒子轴子有了新发现？一批来自史上最亮伽马射线暴（简称“伽马暴”）的超高能光子，以其出乎意料的行踪，挑战了物理学家苦心搭建的传统伽马暴余辉标准辐射模型，并让前沿物理学家脑洞大开，一扇扇新物理探索之门正隆隆开启。

今天凌晨，我国重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站“拉索”（LHAASO）科研团队在《科学》杂志子刊《科学进展》上发布迄今最亮伽马暴GRB221009A的高能伽马辐射精确能谱，并通过数据分析发现了一些足以令全球天体物理学界震惊的新现象。

原先认为不可能的事情发生了

约24亿年前，一颗比太阳重20多倍的“超级太阳”在“死亡”瞬间坍缩，引发巨大的爆炸火球，释放出一朵持续几百秒的“宇宙大烟花”——伽马暴。火球与星际物质碰撞产生的大量万亿电子伏特（TeV）高能伽马光子穿过茫茫宇宙，径直飞向地球。

北京时间2022年10月9日21时20分50秒，这群光子抵达位于我国四川稻城海子山上的“拉索”的视场范围。在短短670秒的时间里，“拉索”收集到了6万多个伽马光子，并于今年6月在《科学》上发表了首批研究结果。

时隔数月，研究团队在绘制这场千年一遇的最亮伽马暴的精确能谱时，又有了不少出乎意料的发现。“在宇宙中穿行了24亿年，这群抵达地球的高能光子，数量似乎有点多……”提到这点，中国科学院高能物理研究所研究员陈松战有点挠头。

要知道，大爆炸之后弥漫在整个宇宙中的背景辐射，就好像一团团迷雾，伽马暴辐射出的高能粒子一旦撞入，就会不断被吸收。按照传统伽马暴余辉标准辐射模型，伽马暴所产生的10TeV以上高能粒子，超过99.5%无法到达地球。因此，到达地球的这些粒子数量应该已不足出发时的百分之一。

但现在，“拉索”团队绘制出的精确能谱图却显示，伽马暴辐射一直延伸到13TeV。“拉索”首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻表示，“当原先认为不可能发生的事情出现，就意味着我们新的探索即将开启”。

超出爱因斯坦理论，还是窥见轴子“振荡”？

是什么让更多高能光子穿越24亿光年，到达了地球？

物理学家首先想到的是，宇宙背景辐射形成的“迷雾”或许没有想象中那么浓密。陈松战介绍，基于此次“拉索”测量的精确能谱，他们推算出，在红外波段宇宙背景辐射强度仅为现有宇宙学模型预期的40%左右。

洛伦兹对称性是爱因斯坦狭义相对论的基础。在高能情况下，洛伦兹对称性可能出现破缺。如果这种情况存在，光速就不是一个不变的常数，当高能光子穿越宇宙背景辐射时，就不太容易被吸收。“如果这一解释成立，那么我们的发现就超出了爱因斯坦的理论。”陈松战说。

如果这次发现预示着宇宙“迷雾”比之前想象的要稀薄得多，那么宇宙对于人类是否更加“透明”？人类能否发现更多奥秘？曹臻的这一想法，遭到了一位意大利同行的质疑：“难道我们几十年数星星都数错了？”

的确，过去百年间，天文学家对于各天区的恒星和星系数量、亮度等诸多性质已有了深入研究，为何没有在对河外星系的观测中发现这一问题？或许还有另一种可能——暗物质粒子轴子在表演“穿墙术”。

根据“拉索”团队的设想，高能伽马粒子在被抛射向宇宙后，可能“变身”为不会被宇宙背景辐射吸收的轴子，在进入银河系受其磁场影响后，又变回了可见的高能粒子——通过“光子-轴子-光子”的这一“振荡变身”，也可能使其在飞行中减少数量损耗，成为“拉索”接收到的超出10TeV能段的那部分粒子。

“在这一假设中，宇宙‘迷雾’与之前的认识并无变化，但可能给了我们发现暗物质的提示。”曹臻说，论文发表后，同行还会提出更多假设，“所有基于这一新发现的脑洞大开，都可能开启未来新物理的大门”。