國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測站”(lhaaso，簡稱“拉索”)正式發(fā)布了迄今最亮伽馬射線暴(編號grb 221009a)的高能伽馬輻射精確能譜，該結(jié)果挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的伽馬暴余輝標準輻射模型，揭示出宇宙背景光在紅外波段強度低于預期。同時，該能譜為檢驗愛因斯坦相對論的適用范圍、探索暗物質(zhì)候選粒子——軸子等新物理研究方面提供了重要信息。相關(guān)結(jié)果在《科學進展》(science advances)雜志上發(fā)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。

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(xiàn)象，是宇宙大爆炸之后最劇烈的天體爆炸現(xiàn)象，最早在1967年被發(fā)現(xiàn)。2019年以來，人類發(fā)現(xiàn)了3例伽馬暴輻射光子的最高能量達到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，產(chǎn)生于一顆比太陽重20多倍的大質(zhì)量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，確定了其輻射起源于余輝輻射，并揭示了記錄到此伽馬暴歷史最亮的成因，相關(guān)成果于2023年6月在《科學》(science)雜志上發(fā)表。

在伽馬暴標準模型中，余輝輻射起源于以接近光速飛行的爆炸物與周圍環(huán)境氣體物質(zhì)的碰撞，碰撞產(chǎn)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(fā)現(xiàn)伽馬暴輻射一直延伸到13 tev(見附圖)。該能譜對伽馬暴余輝標準模型提出了挑戰(zhàn)，預示著伽馬暴余輝的10tev左右光子可能產(chǎn)生于更復雜的粒子加速過程或者存在新的輻射機制。

高能伽馬光子在飛行時會被宇宙中彌漫的背景光吸收，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(nèi)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(jù)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(zhì)。宇宙背景光是宇宙中不同距離處所有的星系輻射產(chǎn)物的總和，與宇宙演化密切相關(guān)。grb 221009a的極高亮度使科學家有機會探測到來自24億光年外宇宙深處所產(chǎn)生的高能伽馬光子。按照目前的宇宙演化模型，1 tev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%。本次基于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于預期，紅外波段宇宙背景光強度僅為現(xiàn)有宇宙學模型預期的40%左右。這一結(jié)果將促使科學家重新考慮宇宙中星系的形成和演化過程。

另一方面，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于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(chǔ)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(xiàn)象，從而能夠解釋拉索觀測到的高能伽馬能譜。另一方面，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(zhì)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(xiàn)象。如今拉索發(fā)布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(fā)更多相關(guān)物理研究。

拉索位于四川省稻城縣海拔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臺廣角切倫科夫望遠鏡組成的復合陣列。拉索于2021年7月建成并開始高質(zhì)量穩(wěn)定運行，是國際上目前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(jiān)視2/3的天區(qū)范圍，這次發(fā)現(xiàn)也充分體現(xiàn)了拉索國際領(lǐng)先的靈敏度和獨特優(yōu)勢。

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(fā)出的伽馬射線流強。