透过“宇宙烟花” 理解宇宙演化

本文转自：科技日报

“拉索”发布迄今最亮伽马暴高能辐射精确能谱

透过“宇宙烟花” 理解宇宙演化

图为高海拔宇宙线观测站“拉索”。科学家利用“拉索”，精确测量了迄今最亮伽马暴的高能辐射能谱，并据此获得了对伽马暴的全新认知。

◎本报记者 都 芃

说起宇宙空间，人们脑海中浮现出的往往是一片黑暗，其中点缀着几许星光。但事实上，宇宙要比我们想象得更加丰富多彩。

宇宙中充斥着大大小小各类星系。星系发出的光不会凭空消失，而是会一直在宇宙空间中穿行。这些光有的属于我们肉眼能看到的可见光波段，有的属于我们看不到的红外波段等。它们的总和被称为宇宙背景光。对宇宙背景光的研究能够揭示宇宙起源的奥秘，是天文研究中的重要课题。

前不久，高海拔宇宙线观测站“拉索”（以下简称“拉索”） 发布迄今最亮伽马暴——GRB 221009A的高能伽马辐射的精确能谱，揭示出宇宙背景光在红外波段强度低于预期，为检验爱因斯坦相对论的适用范围、探索暗物质候选粒子——轴子等提供了重要信息。

宇宙背景光对高能伽马光吸收强度低于预期

伽马暴是宇宙中某一方向上伽马射线瞬时增强的一种现象，也被形象地称为“宇宙烟花”。其在短短几秒内散发的能量，可能比太阳百亿年寿命中释放的能量总和还要多。

伽马暴中的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，被吸收的强度就越高。记者了解到，按照目前的宇宙演化模型，1万亿电子伏特伽马光子飞行24亿光年被宇宙背景光吸收的可能性约为80%，而10万亿电子伏特伽马光子被吸收的可能性则超过99.5%。于是，科学家为了对宇宙背景光进行研究，反其道而行之，根据伽马射线被吸收的程度来研究宇宙背景光的强度与性质，进而理解宇宙演化过程。

中国科学院院士、“拉索”首席科学家曹臻表示，此次测得的精准能谱显示，宇宙背景光对高能伽马光的吸收强度明显低于目前宇宙演化模型的预期——在红外波段，宇宙背景光的吸收强度仅为理论值的40%左右，而宇宙背景光与星系形成、演化等过程密切相关。“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。” 曹臻说。

有违理论预期的现象指向两种可能

对于宇宙背景光对高能伽马光子的吸收低于理论预期这一现象，研究人员给出了两种可能的解释。

“一种可能是存在某种超出当前粒子物理标准模型的新物理机制。比如，爱因斯坦狭义相对论的基础——洛伦兹对称性有非常微小的破坏。”中国科学院高能物理研究所研究员陈松战说。

狭义相对论认为，同一时间发出的、不同能量的光子到达观测者的时间应是一致的，即光速不变性。其中，洛伦兹对称性是狭义相对论的基本假定。通俗来讲，其是指一个非加速物理系统在作洛伦兹变换时，相关的基本物理规律不会改变。而一些大统一理论模型，例如量子引力理论认为，在非常高的能量下，光速会随能量变化，即洛伦兹对称性会发生破缺。要对光速不变性进行精确检验，需要获得能量更高、时间延迟更短、距离更远的高能光子。

另一种解释则认为，可能是轴子在起作用。轴子是粒子物理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。

研究者提出，在强电磁环境下，轴子和光子会发生相互作用，二者可以相互转化。基于这一理论假设，有研究者对高能伽马光子弱吸收现象提出了一种可能的解释。在伽马射线爆发之后，高能光子通过强磁场被转化为轴子状粒子。轴子状粒子被认为稍微重一些，然后，轴子状粒子将不受阻碍地穿越浩瀚太空。当它到达我们所处的银河系时，磁场可能会将其再转换为光子，然后到达地球，被我们观测到。

但无论是何种解释，目前都仍然停留在理论假设阶段，有待更多观测数据的支持。作为国际上最灵敏的超高能伽马射线探测装置，“拉索”具有大视场和全天候的特点，每天可以监视三分之二的天区范围，可以对更多伽马暴进行更为深入的研究，或在不久的将来揭晓这一谜题。