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，該結(jié)果挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的伽馬暴余輝的標(biāo)準(zhǔn)輻射模型，揭示出宇宙背景光在紅外波段強(qiáng)度低于預(yù)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)果于美國東部時間11月15日在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上發(fā)表，由中國科學(xué)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(qiáng)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(dá)到1 TeV（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(dá)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(xì)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(xué)》（Science）上發(fā)表。在伽馬暴標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(qiáng)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，如附圖所示。該能譜對伽馬暴余輝標(biāo)準(zhǔn)模型提出了挑戰(zhàn)，預(yù)示著伽馬暴余輝的10TeV左右光子可能產(chǎn)生于更復(fù)雜的粒子加速過程或者存在新的輻射機(jī)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(qiáng)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(yuǎn)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(qiáng)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的極高亮度使我們有機(jī)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(yù)期，紅外波段宇宙背景光強(qiáng)度僅為現(xiàn)有宇宙學(xué)模型預(yù)期的40%左右。這一結(jié)果將促使人們重新考慮宇宙中星系的形成和演化過程。
另一方面，如果標(biāo)準(zhǔn)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(yù)期也可能意味著存在某種超出當(dāng)前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理機(jī)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)模型之外的一種新粒子，也是當(dāng)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(yù)期將會引發(fā)更多相關(guān)物理研究。
拉索是國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，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(yuǎn)鏡組成的復(fù)合陣列。拉索于2021年7月建成并開始高質(zhì)量穩(wěn)定運(yùn)行，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(diǎn)，每天可以監(jiān)視2/3的天區(qū)范圍，這次發(fā)現(xiàn)充分體現(xiàn)了拉索國際領(lǐng)先的靈敏度和獨(dú)特優(yōu)勢。
圖1：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(diǎn)為地球上測量到的伽馬射線流強(qiáng)，實心點(diǎn)為24億光年外伽馬暴發(fā)出的伽馬射線流強(qiáng)。
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