中國“拉索”再獲重大發現或將檢驗相對論適用范圍

樊巍

“宇宙中的背景光并不一定像我們想象的那么‘厚’，光在宇宙中的速度并不是恒定在299，792.458千米/秒，它有可能更快，也有可能更慢。”近日，國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”（簡稱“拉索”）正式發布迄今最亮的伽馬射線暴的高能伽馬輻射精確能譜，該成果揭示出宇宙背景光在紅外波段強度低于預期，同時也檢驗了愛因斯坦相對論的適用范圍，相關研究成果于美國東部時間2023年11月15日在《科學進展》上正式發表。

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，是宇宙大爆炸之后最劇烈的天體爆炸現象。2022年10月9日，中國“拉索”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，在人類長達60年的伽馬暴研究歷史上具有里程碑意義。GRB 221009A是史上人類觀察到的最亮伽馬暴，產生于一顆比太陽重20多倍的大質量恒星在燃料耗盡時的坍縮爆炸，此前拉索精細測量了其萬億電子伏特輻射隨時間完整的變化行為，確定了其輻射起源于余輝輻射，并揭示了此次伽馬暴歷史最亮的成因，相關成果于2023年6月在《科學》（Science）上發表。

“拉索”首席科學家曹臻介紹稱，在人類此前得出的伽馬暴標準模型中，其余輝輻射起源于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”得到的數據顯示，伽馬暴輻射一直從0.2萬億電子伏特延伸到13萬億電子伏特，能譜顯示的輻射強度“不降”的趨勢就對傳統的伽馬暴余輝標準模型提出了挑戰，這也預示著此次伽馬暴余輝的10萬億電子伏特左右光子可能產生于更復雜的粒子加速過程或者存在新的輻射機制。

曹臻進一步介紹稱，高能伽馬暴光子在飛行時會被宇宙中彌漫的背景光吸收，伽馬暴光子能量越高被吸收得越強烈，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。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概率約為80%，而10萬億電子伏特伽馬暴光子被吸收的概率則超過99.5%。本次基于“拉索”測量的精確能譜，則推算出宇宙背景光對高能伽馬光的吸收低于預期，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。這一結果將促使人們重新考慮宇宙中星系的形成和演化過程。

如何更好地理解此次發現的這一數據，中國科學院高能物理研究所研究員畢效軍介紹，宇宙中的恒星會向外發光，這些恒星發射出來的光不會憑空消失掉，而是會“彌散”在整個宇宙中，會形成一種類似“迷霧”的現象，這也成為宇宙的背景光。而伽馬暴射出的光子在穿過這些“迷霧”的時候會被吸收掉。“我們現在所觀察到的現象就是被這些‘迷霧’吸收的伽馬暴光子比原來預計的要少很多，實際上有更多的伽馬暴光子穿過了這些‘迷霧’，我們評估的結果是，這些迷霧實際上沒有那么‘厚’或者說那么‘濃’，‘厚度’或者‘濃度’可能只有以前的40%左右。通俗而言，就是宇宙的背景光比我們想象的更加‘透明’一些。”畢效軍稱。

“前段時間我在巴塞羅那訪問，在訪問的過程中，一位從事宇宙物理研究的天體物理學家就和我探討我們這項研究，他說你們這個觀察結果實在是令人太難以想象了，你們憑什么去判斷宇宙中‘迷霧’的厚度？因為在他看來這實際上是一件非常簡單的事情，簡單到去數清楚天上的星系以及測算出星系的亮度就可以了，他反問我：‘你覺得我們會把星星數錯嗎？’作為一個專業數星星的人，他認為確定星系的數量以及星星光亮的等級就可以決定宇宙中‘迷霧’的厚度，但現在我們發現這個方法確實有問題。”曹臻表示。

此次的發現無疑也會對此前一些公認的物理理論提出挑戰。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于理論預期，這也可能意味著存在某種超出當前粒子物理標準模型的新物理機制。例如被認為是愛因斯坦狹義相對論基礎的洛倫茲對稱性有可能就要被破壞。“愛因斯坦相對論的基本前提之一就是假設光速——約為299，792.458千米/秒——是一個常數，是不變的，而在現有的發現中，光就不再是個常數了，我們發現實際上的光速可能比此前我們認定的光速要略慢一些，這就會對傳統的相對論理論造成破壞，這個破壞實際上有兩種，一種破壞是實際光速比我們認為的光速更快一些，形成一種超光速，還有一種就是更慢一些，而我們現在所觀察到的現象就是更慢一些。”畢效軍向《環球時報》記者介紹稱。

中國科學院高能物理研究所研究員陳松戰則表示，可以說愛因斯坦的相對論在低能物理情況下是正確的，然而在高能物理情況下它可能就不太適用了，而現在所要檢驗的就是，究竟在多高能的情況下這種理論會被破壞。如今拉索發布了最亮伽馬暴的精確伽馬光子能譜，開啟了新物理探索之門，預期將會引發更多相關物理研究。

據了解，作為國家重大科技基礎設施的“拉索”，位于四川省稻城縣海拔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臺廣角切倫科夫望遠鏡組成的復合陣列。“拉索”于2021年7月建成并開始高質量穩定運行，是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的天區范圍，這次發現充分體現了拉索國際領先的靈敏度和獨特優勢。

◎ 來源|環球時報