约20亿年前，一颗比太阳重20多倍的“超级太阳”——大质量恒星燃烧完其核聚变燃料，瞬间坍缩引发巨大的爆炸火球，发出了一个持续几百秒的巨大“宇宙烟花”——伽马射线暴。火球与星际物质碰撞产生的大量万亿电子伏特高能伽马光子穿过茫茫宇宙，径直飞向地球，于2022年10月9日21时20分50秒抵达我国重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站LHAASO（中文简称“拉索”）的视场范围，6万多个伽马光子被“拉索”收集到。经过几个月分析，科学家们揭开了这场爆炸事件的面纱，并于今年6月在《科学》（Science）上发表相关成果。

时隔约5个月，“拉索”又有了新成果！11月16日，红星新闻记者从中国科学院高能物理研究所（以下简称“中国科学院高能所”）了解到，当天，“拉索”在《科学进展》（Science Advances）正式发布了迄今最亮的伽马射线暴（简称“伽马暴”，编号GRB 221009A）的高能伽马辐射的精确能谱，该结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。该成果由中国科学院高能物理研究所牵头的“拉索”国际合作组完成。

“拉索”此前已捕捉到最亮伽马暴

据介绍，“拉索”是以宇宙线观测研究为核心的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，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。

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，短至千分之一秒，长则数小时，最早在1967年被发现。2019年以来，人类发现了3例伽马暴辐射光子的最高能量达到1 TeV（1 TeV=1万亿电子伏特）。

经过半个世纪的研究，人们认识到伽马暴产生于特别极端的物理环境，比如极高的磁场、极强的引力、极快的速度等等，伽马暴由此成为天体物理甚至基础物理领域青睐的极端物理实验室。人们期望利用伽马暴研究宇宙的演化历史、重元素的起源以及相对论的正确性等重大问题，而在这之前必须对伽马暴自身的物理起源具备深刻的了解。

2022年10月9日，“拉索”记录到来自伽马暴GRB 221009A高达10 TeV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。GRB 221009A是史上最亮伽马暴，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坍缩爆炸，此前“拉索”精细测量了其TeV辐射随时间完整的变化行为，确定了其辐射起源于余辉辐射，并揭示了记录到此伽马暴历史最亮的成因，相关成果已于2023年6月在《科学》（Science）上发表。

传统伽马暴余辉标准模型受到挑战

记者了解到，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。

理论上来说，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 TeV。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10TeV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GRB221009A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

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PeV（1 PeV=1000TeV）伽马光子，却很难探测到来自遥远伽马暴10TeV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。

宇宙背景光与宇宙演化密切相关。通俗点来讲，最早的恒星诞生于宇宙早期，它们发出的光不会凭空消失，而是弥散在宇宙中，这就是宇宙背景光，是宇宙弥散的光泽所形成的“迷雾”。当高能光子穿过“迷雾”时会被吸收，但此次“拉索”的最新成果显示，被吸收的光子要比标准的宇宙演化模型预期的少很多。也就是说，这层“迷雾”的浓度只有预期的40%。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。

科学家们也提出另一种可能：一方面，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。

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。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。

红星新闻记者 彭祥萍 图据中国科学院高能所

编辑 于曼歌