一张能谱挑战两个模型

“拉索”发布迄今最亮伽马射线暴高能辐射精确能谱

11月16日，高海拔宇宙线观测站（以下简称“拉索”） 在《科学进展》上，正式发布迄今最亮的伽马射线暴——GRB 221009A的高能伽马辐射的精确能谱。

“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，该能谱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，也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。

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成果示意图。中国科学院高能物理研究所供图

挑战伽马暴标准模型

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，最早在1967年被发现。

2019年至2022年，人类共发现了3例伽马暴辐射光子最高能量达到1万亿电子伏特。

2022年10月9日,“拉索”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。

作为迄今最亮伽马暴，GRB 221009A产生于一颗比太阳重20多倍的大质量恒星。该大质量恒星在燃料耗尽时塌缩爆炸，释放出强烈辐射。

此前，“拉索”精细测量了这次辐射的完整变化行为，确定该辐射起源于余辉辐射，并揭示了此伽马暴之所以是历史最亮的原因，相关成果于2023年6月在《科学》杂志上发表。

在伽马暴标准模型中，以接近光速飞行的爆炸物与周围环境气体物质碰撞，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，形成高能伽马辐射，即余辉辐射。

理论上，光子能量越高，辐射强度就衰减得越快，然而，本次“拉索”对辐射能谱的精确测量却发现，尽管光子能量大到10万亿电子伏特以上，但伽马暴辐射强度不仅没有衰减，反而一直延伸到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。”“拉索”国际合作组物理协调人、中国科学院高能物理所研究员陈松战说。

他们判断，这种违反标准模型的现象预示着，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。

挑战宇宙演化模型

高能伽马光子在飞行时会被宇宙中弥漫的背景光吸收。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。

伽马光子能量越高，被吸收得越强烈。于是，科研人员反其道而行，根据伽马射线被吸收的程度，研究宇宙背景光的强度与性质，进而理解宇宙演化过程。

“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，以及宇宙背景光对它的吸收情况。”陈松战说。

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%。

然而，科研人员基于“拉索”测量的精确能谱推算发现，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。

当然，也有一种可能是标准的宇宙演化模型依然正确。“那么，宇宙背景光对高能伽马光子的吸收低于理论预期，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。”曹臻说。

他介绍，这种超出标准模型的新物理机制也有很多可能。

其中的一种可能是作为爱因斯坦狭义相对论基础的洛伦兹对称性存在非常微小的破坏。“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。”曹臻说。

另一种可能是“轴子”在起作用。“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。”曹臻说。

开启新物理之门

“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。”曹臻说。

在曹臻看来，如今，“拉索”发布了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。

“辐射能谱展现出了一些新现象，至于怎么解释，还没有主流的说法，这将激发全球的科学家们共同思考。”曹臻说。

“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由18台广角切伦科夫望远镜组成的复合阵列。

2021年7月，“拉索”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。

曹臻介绍，未来，“拉索”也将继续等待更多的伽马暴现象，并尝试寻找未知谜题的答案。

相关论文链接：https://www.doi.org/10.1126/sciadv.adj2778