中国“拉索”再获重大发现 或将检验相对论适用范围
【环球时报-环球网报道 记者 樊巍】“宇宙中的背景光并不一定像我们想象的那么‘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，国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”（简称“拉索”）正式发布迄今最亮的伽马射线暴的高能伽马辐射精确能谱，该成果揭示出宇宙背景光在红外波段强度低于预期，同时也检验了爱因斯坦相对论的适用范围，相关研究成果于美国东部时间11月15日在《科学进展》上正式发表。
伽马暴是来自天空中某一方向的伽马射线突然增强的闪烁现象，是宇宙大爆炸之后最剧烈的天体爆炸现象。2022年10月9日，中国“拉索”记录到来自伽马暴GRB 221009A高达10万亿电子伏特以上的伽马光子，在人类长达60年的伽马暴研究历史上具有里程碑意义。GRB 221009A是史上人类观察到的最亮伽马暴，产生于一颗比太阳重20多倍的大质量恒星在燃料耗尽时的坍缩爆炸，此前拉索精细测量了其万亿电子伏特辐射随时间完整的变化行为，确定了其辐射起源于余辉辐射，并揭示了此次伽马暴历史最亮的成因，相关成果于2023年6月在《科学》（Science）上发表。
拉索首席科学家曹臻近日向《环球时报》记者介绍称，在人类此前得出的伽马暴标准模型中，其余辉辐射起源于以接近光速飞行的爆炸物与周围环境气体物质的碰撞，碰撞产生的高速激波会把电子加速到非常高的能量，这些电子进一步撞击周围的光子成为高能伽马辐射。理论上这种辐射的光子能量越高，其辐射强度就衰减得越快，但本次“拉索”得到的数据显示，伽马暴辐射一直从0.2万亿电子伏特延伸到13万亿电子伏特，能谱显示的辐射强度“不降”的趋势就对传统的伽马暴余辉标准模型提出了挑战，这也预示着此次伽马暴余辉的10万亿电子伏特左右光子可能产生于更复杂的粒子加速过程或者存在新的辐射机制。
曹臻进一步介绍称，高能伽马暴光子在飞行时会被宇宙中弥漫的背景光吸收，伽马暴光子能量越高被吸收得越强烈，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与性质。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概率约为80%，而10万亿电子伏特伽马暴光子被吸收的概率则超过99.5%。本次基于‘拉索’测量的精确能谱，则推算出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强度仅为现有宇宙学模型预期的40%左右。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。
如何更好的理解此次发现的这一数据，中国科学院高能物理研究所研究员毕效军向《环球时报》记者介绍称，宇宙中的恒星会向外发光，这些恒星发射出来的光不会凭空消失掉，而是会“弥散”在整个宇宙中，其中，宇宙早期诞生的恒星发射出来的可见光，会随着宇宙的膨胀，发生“红移”，也就是这些可见光的波长会被变长，变成红外光。在宇宙中就弥漫着这些红外光，会形成一种类似“迷雾”的现象，这也成为了宇宙的背景光。而伽马暴射出的光子在穿过这些“迷雾”的时候会被吸收掉。“我们现在所观察到的现象就是被这些‘迷雾’吸收的伽马暴光子比原来预计的要少很多，实际上有更多的伽马暴光子穿过了这些‘迷雾’，我们评估的结果是，这些迷雾实际上没有那么‘厚’或者说那么‘浓’，‘厚度’或者‘浓度’可能只有以前的40%左右。通俗而言，就是宇宙的背景光比我们想象的更加‘透明’一些。”毕效军称。“前段时间我在巴塞罗那访问，在访问的过程中，一位从事宇宙物理研究的天体物理学家就和我探讨我们这项研究，他说你们这个观察结果实在是令人太难以想象了，你们凭什么去判断宇宙中“迷雾”的厚度？因为在他看来这实际上是一件非常简单的事情，简单到去数清楚天上的星系以及测算出星系的亮度就可以了，他反问我，‘你觉得我们会把星星数错吗？’作为一个专业数星星的人，他认为确定星系的数量以及星星光亮的等级就可以决定宇宙中“迷雾”的厚度，但现在我们发现这个方法确实有问题。”曹臻告诉《环球时报》记者。
此次的发现无疑也会对此前的一些公认的物理理论提出挑战。如果标准的宇宙演化模型正确，宇宙背景光对高能伽马光子的吸收低于理论预期，这也可能意味着存在某种超出当前粒子物理标准模型的新物理机制。例如被认为是爱因斯坦狭义相对论基础的洛伦兹对称性有可能就要被破坏。”爱因斯坦相对论的基本前提之一就是假设光速——约为299,792.458千米/秒——是一个常数，是不变的，而在现有的发现中，光就不再是个常数了，我们发现实际上的光速可能比此前我们认定的光速要略慢一些，这就会对传统的相对论理论造成破坏，这个破坏实际上有两种，一种破坏是实际光速比我们认为的光速更快一些，形成一种超光速，还有一种就是更慢一些，而我们现在所观察到的现象就是更慢一些。”毕效军向《环球时报》记者介绍称。
中国科学院高能物理研究所研究员陈松战则向《环球时报》记者表示，可以说爱因斯坦的相对论在低能物理情况下是正确的，然而在高能物理情况下它可能就不太适用了，而现在所要检验的就是，究竟在多高能的情况下这种理论会被破坏。如今拉索发布了最亮伽马暴的精确伽马光子能谱，开启了新物理探索之门，预期将会引发更多相关物理研究。
据《环球时报》记者了解，作为国家重大科技基础设施的“拉索”，位于四川省稻城县海拔4410米的海子山，是由5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子探测器阵列、7.8万平方米水切伦科夫探测器阵列以及由18台广角切伦科夫望远镜组成的复合阵列。拉索于2021年7月建成并开始高质量稳定运行，是国际上最灵敏的超高能伽马射线探测装置，具有大视场和全天候的特点，每天可以监视2/3的天区范围，这次发现充分体现了拉索国际领先的灵敏度和独特优势。