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精測迄今最亮伽馬暴高能輻射能譜 中國“拉索”開啟新物理探索之門

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2023-11-16 15:13 | 稿件來源:香港新聞網

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香港新聞網11月16日電 據中新網11月16日消息,中國國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站”(LHAASO,簡稱“拉索”)最新又取得一項重要觀測研究成果——精確測量並正式發布迄今最亮的、編號GRB 221009A伽馬射線暴(伽馬暴)的高能伽馬輻射能譜。

“拉索”完整記錄史上最亮的宇宙伽馬暴藝術示意圖。(中科院高能物理所供圖)

這項成果挑戰了傳統的伽馬暴餘輝的標準輻射模型,揭示出宇宙背景光在紅外波段強度低於預期。同時,該高能輻射能譜為檢驗愛因斯坦相對論的適用範圍、探索暗物質候選粒子“軸子”等新物理研究方面提供了重要信息。

被學界譽為“‘拉索’開啟新物理探索之門”的這一成果由中國科學院高能物理研究所(高能所)領銜“拉索”國際合作組完成,相關研究論文北京時間11月16日凌晨在國際學術期刊《科學進展》(Science Advances)上線發表。

確定起源於餘輝輻射並揭示最亮成因

中國科學院高能所“拉索”團隊介紹說,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象,也是宇宙大爆炸之後最劇烈的天體爆炸現象,最早在1967年被發現,2019年以來人類僅發現3例伽馬暴輻射光子的最高能量達到1萬億電子伏特(TeV)。其中,2022年10月9日“拉索”觀測記錄到來自伽馬暴GRB 221009A高達10萬億電子伏特以上的伽馬光子,在60年的伽馬暴研究歷史上具有里程碑意義。

作為史上最亮伽馬暴,GRB 221009A產生於一顆比太陽重20多倍的大質量恆星在燃料耗盡時的塌縮爆炸,“拉索”此前已精細測量其萬億電子伏特輻射隨時間完整的變化行為,確定其輻射起源於餘輝輻射,並揭示該伽馬暴歷史最亮的成因,相關成果2023年6月在《科學》(Science)期刊發表。

促重新考慮宇宙星系形成和演化過程

“拉索”團隊指出,在伽馬暴標準模型中,餘輝輻射起源於以接近光速飛行的爆炸物與周圍環境氣體物質的碰撞,碰撞產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現伽馬暴輻射一直延伸到13萬億電子伏特。該能譜對伽馬暴餘輝標準模型提出了挑戰,預示着伽馬暴餘輝的10萬億電子伏特左右光子可能產生於更複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瀰漫的背景光吸收,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天體的千萬億電子伏特(PeV)伽馬光子,卻很難探測到來自遙遠伽馬暴10萬億電子伏特光子的原因。反過來,根據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。宇宙背景光是宇宙中不同距離處所有的星系輻射產物的總和,與宇宙演化密切相關。

伽馬暴GRB 221009A的極高亮度使“拉索”有機會探測到來自24億光年外宇宙深處所產生的高能伽馬光子。按照目前的宇宙演化模型,1萬億電子伏特伽馬光子飛行24億光年被背景光吸收的概率約為80%,而10萬億電子伏特伽馬光子被吸收的概率則超過99.5%。

本次基於“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於預期,紅外波段宇宙背景光強度僅為現有宇宙學模型預期的40%左右。這一結果將促使科學家們重新考慮宇宙中星系的形成和演化過程。

預期將會引發更多相關物理研究

“拉索”團隊表示,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於理論預期,也可能意味着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象。

他們認為,“拉索”此次發布迄今最亮伽馬暴的精確伽馬光子能譜,充分體現“拉索”國際領先的靈敏度和獨特優勢。最新研究成果也堪稱開啟了新物理探索之門,預期將會引發更多相關物理研究。

大科學裝置“拉索”位於四川省稻城縣海拔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台廣角切倫科夫望遠鏡組成的複合陣列。“拉索”於2021年7月建成並開始高質量穩定運行,是目前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,每天可以監視2/3的天區範圍。

【編輯:丘志彬】

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