透過“宇宙煙花” 理解宇宙演化 “拉索”發(fā)布迄今最亮伽馬暴高能輻射精確能譜

說起宇宙空間，人們腦海中浮現(xiàn)出的往往是一片黑暗，其中點(diǎn)綴著幾許星光。但事實(shí)上，宇宙要比我們想象得更加豐富多彩。

宇宙中充斥著大大小小各類星系。星系發(fā)出的光不會憑空消失，而是會一直在宇宙空間中穿行。這些光有的屬于我們?nèi)庋勰芸吹降目梢姽獠ǘ危械膶儆谖覀兛床坏降募t外波段等。它們的總和被稱為宇宙背景光。對宇宙背景光的研究能夠揭示宇宙起源的奧秘，是天文研究中的重要課題。

前不久，高海拔宇宙線觀測站“拉索” 發(fā)布迄今最亮伽馬暴——GRB 221009A的高能伽馬輻射的精確能譜，揭示出宇宙背景光在紅外波段強(qiáng)度低于預(yù)期，為檢驗(yàn)愛因斯坦相對論的適用范圍、探索暗物質(zhì)候選粒子——軸子等提供了重要信息。

宇宙背景光對高能伽馬光吸收強(qiáng)度低于預(yù)期

伽馬暴是宇宙中某一方向上伽馬射線瞬時(shí)增強(qiáng)的一種現(xiàn)象，也被形象地稱為“宇宙煙花”。其在短短幾秒內(nèi)散發(fā)的能量，可能比太陽百億年壽命中釋放的能量總和還要多。

伽馬暴中的高能伽馬光子在飛行時(shí)會被宇宙中彌漫的背景光吸收，伽馬光子能量越高，被吸收的強(qiáng)度就越高。記者了解到，按照目前的宇宙演化模型，1萬億電子伏特伽馬光子飛行24億光年被宇宙背景光吸收的可能性約為80%，而10萬億電子伏特伽馬光子被吸收的可能性則超過99.5%。于是，科學(xué)家為了對宇宙背景光進(jìn)行研究，反其道而行之，根據(jù)伽馬射線被吸收的程度來研究宇宙背景光的強(qiáng)度與性質(zhì)，進(jìn)而理解宇宙演化過程。

中國科學(xué)院院士、“拉索”首席科學(xué)家曹臻表示，此次測得的精準(zhǔn)能譜顯示，宇宙背景光對高能伽馬光的吸收強(qiáng)度明顯低于目前宇宙演化模型的預(yù)期——在紅外波段，宇宙背景光的吸收強(qiáng)度僅為理論值的40%左右，而宇宙背景光與星系形成、演化等過程密切相關(guān)。“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。” 曹臻說。

有違理論預(yù)期的現(xiàn)象指向兩種可能

對于宇宙背景光對高能伽馬光子的吸收低于理論預(yù)期這一現(xiàn)象，研究人員給出了兩種可能的解釋。

“一種可能是存在某種超出當(dāng)前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理機(jī)制。比如，愛因斯坦狹義相對論的基礎(chǔ)——洛倫茲對稱性有非常微小的破壞。”中國科學(xué)院高能物理研究所研究員陳松戰(zhàn)說。

狹義相對論認(rèn)為，同一時(shí)間發(fā)出的、不同能量的光子到達(dá)觀測者的時(shí)間應(yīng)是一致的，即光速不變性。其中，洛倫茲對稱性是狹義相對論的基本假定。通俗來講，其是指一個(gè)非加速物理系統(tǒng)在作洛倫茲變換時(shí)，相關(guān)的基本物理規(guī)律不會改變。而一些大統(tǒng)一理論模型，例如量子引力理論認(rèn)為，在非常高的能量下，光速會隨能量變化，即洛倫茲對稱性會發(fā)生破缺。要對光速不變性進(jìn)行精確檢驗(yàn)，需要獲得能量更高、時(shí)間延遲更短、距離更遠(yuǎn)的高能光子。

另一種解釋則認(rèn)為，可能是軸子在起作用。軸子是粒子物理標(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。

研究者提出，在強(qiáng)電磁環(huán)境下，軸子和光子會發(fā)生相互作用，二者可以相互轉(zhuǎn)化。基于這一理論假設(shè)，有研究者對高能伽馬光子弱吸收現(xiàn)象提出了一種可能的解釋。在伽馬射線爆發(fā)之后，高能光子通過強(qiáng)磁場被轉(zhuǎn)化為軸子狀粒子。軸子狀粒子被認(rèn)為稍微重一些，然后，軸子狀粒子將不受阻礙地穿越浩瀚太空。當(dāng)它到達(dá)我們所處的銀河系時(shí)，磁場可能會將其再轉(zhuǎn)換為光子，然后到達(dá)地球，被我們觀測到。

但無論是何種解釋，目前都仍然停留在理論假設(shè)階段，有待更多觀測數(shù)據(jù)的支持。作為國際上最靈敏的超高能伽馬射線探測裝置，“拉索”具有大視場和全天候的特點(diǎn)，每天可以監(jiān)視三分之二的天區(qū)范圍，可以對更多伽馬暴進(jìn)行更為深入的研究，或在不久的將來揭曉這一謎題。