一起吃个科学大瓜 | 拉索首次发布最亮伽马射线暴高能辐射能谱的精确测量结果

一起吃个科学大瓜

2023年11月16日，拉索在《科学进展》首次发布了人类迄今为止发现的来自伽马暴最高能量伽马射线光子的精确能谱，能观测到如此之多、如此高能量的伽马光子，令人出乎意料，直接挑战宇宙学或者粒子物理的现有理论，可能会开启新物理探索之门。

接下来我们扒一扒最新发布的这个结果：这次实验数据的千年一遇稀缺性和完整性？为什么会出乎意料，有大瓜？这个数据会动荡目前的宇宙学研究吗？这个数据会炸出来新物理吗？

试试吃个科学大瓜， 八卦之余看能否感受到科技发展的每一小点犹如沙里淘金，从而窥得物理尤其是实验之美？

前情提要

拉索的观景台

打酱油的我感冒了都不敢上山，要克服高原反应和众多困难，在2040亩冻土遗迹栽了上万个探测器有多难不可想象（官方描述：拉索占地1.36平方公里，是由地面上5216个粒子探测器和地下1188个缪子探测器组成的约一平方公里超大型宇宙线探测器阵列、7.8万平方米水切伦科夫探测器阵列以及由18台广角空气切伦科夫望远镜组成的复合阵列），为所有参与建设的工人和科学家们点赞

为啥选这么个地方，这难道是传说中的没有困难创造困难也得上？事实上是经过了五年选址才敲定海子山：海拔足够高还有上千亩的“平”地儿适合观测宇宙线，有丰富的水资源方便大面积的探测器安装，还有必要的交通配套（比如世界上海拔最高的亚丁机场）方便建站等等。

海子山

有大石头有湖的“平”地儿，藏族叫这种高山小湖为海子

宇宙线观测站是靠天吃饭的大装置，2021年7月全线完成安装并稳定运行，第二年10月就遇到了千年一遇的天文现象：最亮的伽马射线暴GRB 221009A（字母取自Gamma-Ray Burst，数字代表2022年10月9日发现的，A表示这一天第一个，同一天再发现一个估计就是B了）。不要盲目羡慕人家的好运气，拉索的技术和各方面保障确实过硬，不久前中国科学院的23个国家重大科技基础设施运行评比中斩获一等奖，看来，没有充足的准备也接不到成功的好运

抱歉这个开场有点拖沓，这才刚刚进入前情提要：拉索完整的观测到这个伽马暴余辉的全过程，22分钟左右，记录了有史以来最亮的一个伽马暴全过程，因为这次伽马暴恰好正对着拉索，如果这次伽马暴提前5小时或推后1小时，那我们观测这个完整现象可能要推后一千年（宇宙太大了，科学家们掐指一算，发生一次并被地球人观测到的概率，嗯，大概就是千年一次吧），这下，拉索的主角光环开启了，这个数据确实够稀缺、罕见的完整和精确（得益于拉索的大面积复合阵列）。

拉索2023年6月发布在Science的观测现象示意图和数据结果

2023年6月份拉索发布了这次观测的伽马暴全过程，有很多首次发现，除了首次最高能量、全过程外，比如这个迅速爬升的趋势，还是个谜团。我们应该为科学的进步感到自豪，通过这些数据科学家们挖出来这个伽马暴是银河系外（距离我们24亿光年外）一个古老的大质量恒星（约20倍太阳质量）死亡前发出的尖叫（喷注截断陡降可计算出：恒星死亡坍缩成黑洞前射出了很窄的喷注）。妙，家里坐就可以八卦到银河系外的恒星死亡信号

GRB 221009A的小电影

吃瓜正餐：精确能谱

今天拉索发布的是：人类首次精确测量迄今为止最高能量伽马射线暴能谱，还是那个GRB 221009A。这是炒旧饭吗？NO, 是基于上次的测量进一步挖出的数据，这个数据在高能量的时候明显的跳脱以及背后的可能原因更令人关注。

瓜来了：最高能量伽马射线暴能谱

拉索测量的GRB221009A在230-300秒和300-900秒两段时间的伽马射线能谱，下面两条空心是拉索实际测量数据，上面实心点是计算出的24亿光年外伽马暴发出的数据。A是宇宙学标准模型的计算能谱，B是尝试做一些修正后的能谱。

看不懂这图正常。上面两条数据线分别对应下面两条实际观测数据线，我们看到对应横坐标10TeV以后的蓝色数据点就不在线上了，这意味着实验数据点和理论模型计算发生冲突了，有故事要发生。

拉索的首席科学家曹臻在知道拉索观测结果的时候恰好在国外参加学术会议，迫不及待就跟同行们开始八卦这个大致结果，很多人表示不可接受，怎么可能有这么多高能量的光子跑到地球上啊（这是赤果果的质疑拉索这个新秀装置）

我们人类已经观测到过上万次伽马射线暴，有一个学界达成共识的理论可以根据我们探测器上测量的光子数据，计算出产生这些光子的能量有多高，光子穿越不是真空的宇宙会被消耗掉，最终可以抵达地球的光子数量大概有多少（科学家的饭碗可不好抢，咱可以不懂细节哈）。

高能伽马光子被宇宙背景吸收的示意图

能量越高的光子越容易被宇宙背景吸收（从结果图也能明显看到拉索测量到的光子数随着横坐标能量的提高在快速下降），可以通俗的理解为枪打出头鸟，理论计算不超过0.5%这么高能量（10TeV）的光子鸟能安全抵达地球。按照标准模型预期的比例计算出来的伽马射线能谱，结果A图10TeV后就跳出来一个显眼包蓝色数据点。

说明有超出预期许多的高能伽马光子抵达地球了。害死猫的好奇心肯定要问，为什么啊？是哪儿出错了？还是有新情况？

吃瓜高潮：谁要翻车了？

从宇宙学讲，跟这个结果密切相关的是宇宙辐射背景的理论，按照拉索这次最新的实验数据，红外波段宇宙背景光强度只有宇宙学标准模型理论计算的40%，宇宙学标准模型要翻车？想靠一个数据推翻一个理论，不太可能啊。

我们的航天技术和精密探测技术在不断提高，但离真正触碰整个宇宙还有相当远的距离。在宇宙学的标准理论框架下还有很多模型专注各方面的细分领域，比如微调银河系外的宇宙辐射背景也可以符合拉索这次的观测数据，各种理论都需要更多的实验数据来沙里淘金。

有人认为物理学是一门实验科学，缘于格物致知，有客观的数据才能找到数据背后的物理，最后凝练出的真知尤其之美。

当代，很多学科是交叉在一起的，比如宇宙学和粒子物理更是盘根错节，粒子物理可以说源于宇宙线中不断观测到了新粒子，到耗巨资建设加速器，粒子物理发展迅速，2013年终于在目前最大的加速器LHC上发现了粒子物理标准模型预言的最后一个基本粒子，号称上帝粒子的Higgs玻色子。尽管粒子物理大厦已成，统一了电、强、弱相互作用（物理学的世界只有四种情：引力，强、电、弱）。科学家觉得还应该有一座更美的大厦可以合并引力，这才是物理大统。因此有人尝试挑战老爱的狭义相对论：基于洛伦兹对称性设定了光速不变，那如果这个对称性不那么完美呢？比如在很高能量的时候（目前实验的能标范围这个洛伦兹对称就是完美的，老爱的权威稳稳的），对称性有了微小的破坏，光速变快或变慢一点呢？

拉索合作组这次确实尝试了下，不用去修正宇宙的辐射背景，试试让狭义相对论翻车？如果这个洛伦兹对称性稍破坏一丢丢，在10TeV高能量时，光子速度就慢小数点后面好几位的比例，果然，就有这么多的高能量光子鸟抵达地球。

目前我们对宇宙物质的认识不足5%，更多的暗能量和暗物质一直找不到实验证据，暗物质粒子有一个重要候选粒子--轴子，拉索合作组尝试了引入轴子，也可以让更多的高能量光子鸟抵达地球。

轴子模型解释示意图

这个轴子哈，真是个独特的家伙，当伽马射线在星系内部，磁场强的时候，光子就会变身为轴子，轴子是一种不容易被宇宙背景吸收的粒子，它是暗物质，我们也探测不到了，但部分轴子在银河系磁场升高时又会变身为光子，就可以在宇宙辐射背景不变的情况下解释更多的高能光子抵达地球。

拉索的观测可以证明暗物质粒子--轴子的存在？冷静，仅仅是有这种可能，还有更多可能。很多科学家千方百计的找了这么多年暗物质粒子，目前实验室还没找到。

迷糊了吧？敲个黑板，这些理论解释都是对这个新的实验数据尝试性解释，但这么高能量的数据也是首次面世，太少了，还不够给出正确答案。更多的实验数据相当于一筐沙子，都不一定能淘出对的那个理论金子。理论指导实验观测方向，实验数据又不断的考验理论的完美度，不断相爱相杀最后只有一条真知。拉索这次的测量结果可能会敲开一扇新物理探索之门，但离新物理还需要更多的数据。

吃瓜结束：科学美吗？

大海航时代之前，人类朴实的认为地球就是平的，直到哥伦布发现新大陆，原来地球是圆的。伽利略望远镜改变了人类肉眼观测天文的历史，对地心说提出了挑战。随后，开普勒的行星运动三大定律为日心说提供了理论支持，从而彻底推翻了地心说。

随着天文望远镜技术的发展，人类观测到了更多的星系和宇宙现象。哈勃观测到了星系光谱的红移，发现了宇宙在不断膨胀。利用更多的观测手段发现的宇宙辐射背景，进一步完善了宇宙大爆炸理论。航天技术和探测器技术的不断发展，我们势必观测到更远更多，会揭秘多少宇宙大瓜

牛顿的引力理论和爱因斯坦相对论提供了宇宙学的重要基础，和粒子物理不断拓宽我们对宇宙起源、结构和演化的认识。实验技术和理论认识互相发展完善，一点点艰难曲折地拓宽我们认知的边际。

拉索最新结果的瓜全貌

这次拉索刷新实验观测数据，也许会开启人类探索新物理的一扇门，但纵观历史，科学的每次发展都不是那么顺利，一点点进步也是实验和理论的爱恨情仇，沙里淘金才能揭开真相、谱写科学之美。

吃瓜暂告一段落，拉索对GRB221009A的完整观测还有很多瓜，比如伽马射线暴本身的理论研究也遭遇诸多挑战， 后面科学家们怎么自圆其说？想想一大堆科学家正在抽丝拨茧找各种瓜，期待

gossip time

科学审核：陈松战

主编审核：宋黎明

编辑：花 明

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