中国发布迄今最亮伽马暴辐射光子最高能量达1万亿

这一结果挑战了伽马暴余辉的传统标准辐射模型，揭示了红外波段的宇宙背景光强度低于预期。 同时，这种高能辐射光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”等新物理研究提供了重要信息。

大型科学装置“罗索”最新观测研究成果的艺术想象。中国科学院高能研究所供图

这项被学术界誉为“‘Lasso’开启新物理探索之门”的成果，由中国科学院高能物理研究所牵头的“Lasso”国际合作团队完成。 相关研究论文于北京时间11月16日发表。 该成果于凌晨在线发表在国际学术期刊《Science Advances》上。

确定余辉辐射的起源并揭示最亮的原因

据中国科学院高能研究所“拉索”团队介绍，伽马爆发是天空中某个方向突然增强的伽马射线闪光。 这也是大爆炸之后最猛烈的天体爆炸。 它于1967年首次被发现，自2019年以来，人类只发现了3例最高能量达到1万亿电子伏特（TeV）的伽马爆发辐射光子。 其中，2022年10月9日，“拉索”观测记录了来自伽马暴GRB 221009A的伽马光子，功率超过10万亿电子伏，这是伽马暴研究60年历史上的一个里程碑。

大型科学装置“罗索”航拍。中国科学院高能研究所供图

作为历史上最亮的伽马射线暴，GRB 221009A 是由一颗比太阳重 20 多倍的大质量恒星在燃料耗尽时坍塌和爆炸产生的。 “Raso”此前曾测量过其随时间变化的万亿电子伏特辐射。 完全的变化行为决定了它的辐射来源于余辉辐射，并揭示了历史上最亮的伽马暴的成因。 相关成果于2023年6月发表在《Science》杂志上。

促进对宇宙星系形成和演化的重新思考

“套索”团队指出，在伽马射线暴的标准模型中，余辉辐射源于以接近光速飞行的炸药与周围环境气体物质的碰撞。 碰撞产生的高速冲击波会将电子加速到非常高的能量。 这些电子进一步与周围的光子碰撞成高能伽马辐射。

理论上，这种辐射的光子能量越高，其辐射强度衰减得越快。 然而，Lasso对其辐射能谱的精确测量发现，伽马爆发辐射延伸至13万亿电子伏。 这个能谱对伽马爆发余辉的标准模型提出了挑战，表明伽马爆发余辉中约10万亿电子伏的光子可能是由更复杂的粒子加速过程产生的，或者是新辐射机制的存在。

“Raso”在230-300秒和300-900秒两个时段测量的GRB221009A的伽马射线能谱。 空心点是在地球上测得的伽马射线通量强度，实心点是在24亿光年外测得的伽马射线强度。 马爆发会发射出强烈的伽马射线通量。 “套索”团队供图

高能伽马光子在飞行时会被宇宙中的漫射背景光吸收。 伽马光子的能量越高，它被吸收的强度就越强。 这就是为什么 Lasso 可以探测到来自银河系天体的拍电子伏特 (PeV) 伽马射线。 Ma光子，但难以探测是来自遥远伽马暴的10万亿电子伏特光子难以探测的原因。 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和特性。 宇宙背景光是宇宙中不同距离的所有星系辐射产物的总和，与宇宙的演化密切相关。

GRB 221009A 极高的亮度使 Lasso 有机会探测到 24 亿光年外宇宙深处产生的高能伽马光子。 根据目前的宇宙演化模型，1万亿电子伏特的伽马光子行进24亿光年被背景光吸收的概率约为80%，而10万亿电子伏特的伽马光子被吸收的概率则超过99.5%。

根据“拉索”测量的精确能谱，推论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的强度仅为约现有宇宙学模型预期的 40%。 这一结果将促使科学家重新思考宇宙中星系的形成和演化。