中国科学院高能物理所陈松战谈最亮伽马暴的发现：非常幸运，一千年才发生一次

科技《思想大爆炸-对话科学家》栏目第53期，对话中国科学院高能物理研究所研究员陈松战。

嘉宾简介：陈松战，中国科学院高能物理研究所研究员。目前为LHAASO项目合作组物理协调人，主要负责LHAASO实验数据的物理分析工作。完成探测器模拟、数据重建和分析等一系列关键基础软件开发，并带领团队基于LHAASO首批科学数据以高显著性发现12个超高能伽马射线源，发现首批“拍电子伏加速器”和最高能量光子，由此打开了电磁波谱最高能量天文窗口，开启“超高能伽马天文学”时代，相关成果于2021年5月17日发表在《Nature》杂志上。

划重点：

1.这次“拉索”首次记录到来自伽马暴GRB 221009A高达10 TeV以上的伽马光子，在60年的伽马暴研究历史上具有里程碑的意义。

2.观测到史上最亮的伽马暴并不难，只能说我们非常幸运，像这么亮的伽马暴，一千年才会发生一次。

3.这一成果对于支持伽马暴存在高能辐射的理论模型提供了证据支撑。

4.观测结果挑战了传统的伽马暴余辉标准模型，对探究宇宙中星系的形成和演化有重要意义。

5.发现最亮伽马暴，意味着我们可以在高能波段看到银河系外更远的天体了。

出品｜科技

作者｜周锦童

除了宇宙大爆炸之外，最剧烈的天体爆炸现象莫过于伽马暴，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。自1967年伽马暴被发现起，科学家们就在猜测究竟是什么原因导致宇宙各处出现这样猛烈的爆炸，当然对伽马暴的探索也从未停止……

近日，中国国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站”（LHAASO，简称“拉索”）最新又取得一项重要观测研究成果——精确测量并正式发布迄今最亮的、编号GRB 221009A伽马射线暴（伽马暴）高能伽马辐射能谱。

据悉，拉索是国家重大科技基础设施，位于四川省稻城县海拔4410米的海子山，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。

而GRB 221009A伽马暴是迄今为止最亮的伽马暴，那么它与以往观测到的伽马暴有何不同？此次“拉索”观测到史上最亮的伽马暴的难度如何？精确能谱的发布又有哪些意义？带着这些问题，科技对话了中国科学院高能物理研究所研究员陈松战。

对此，陈松战解释道：“我们平均每天都可以观测到一个伽马暴，但不同的是一般我们观测到的伽马暴辐射光子能量大都是在100keV-10MeV，而这次拉索记录到来自伽马暴GRB 221009A高达10 TeV以上的伽马光子，在60年的伽马暴研究历史上具有里程碑的意义。”

“其实我觉得观测到史上最亮的伽马暴并不难，只能说我们非常幸运，像这么亮的伽马暴，一千年才会发生一次。”陈松战激动地对科技说。

的确如此，伽马暴发生时间不过短短几秒、几十秒，稍纵即逝，而这个伽马暴持续了几百秒所以被“拉索”捕捉到了，而一般来说伽马暴只有七分之一的概率发生在拉索的视场中，也就是说观测到的这天恰好处在这小概率之中。

谈及观测意义时，陈松战表示：“这一观测结果对于支持伽马暴存在高能辐射的理论模型提供了证据支撑，同时也挑战了传统的伽马暴余辉标准模型，对探究宇宙中星系的形成和演化有重要意义。”

此外，这一研究结果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”等新物理研究方面也提供了许多重要帮助。

以下为对话实录（经整理编辑）

科技：请您简单谈谈伽马暴是怎样形成的？GRB 221009A伽马暴与以往观测到的伽马暴有何不同？

陈松战：伽马暴是除了宇宙大爆炸之外最剧烈的天体爆炸现象，是来自天空中某一方向的伽马射线突然增强的闪烁现象，最早在1967年被发现。

其实这个现象是很普遍的，我们平均每天都可以观测到伽马暴，但不同的是一般我们观测到的伽马暴辐射光子能量大都是在100keV-10MeV，2019年以来我们才发现了3例辐射最高光子能量达到1 TeV的伽马暴，而这次拉索首次记录到来自伽马暴GRB 221009A高达10 TeV以上的伽马光子，在60年的伽马暴研究历史上具有里程碑的意义。

自67年发现第一例起，到现在我们大概看到了一万多例的伽马暴，相比于以前的伽马暴，伽马暴GRB 221009A是迄今为止最亮的伽马暴。

科技：此次“拉索”观测到史上最亮的伽马暴的难度如何？

陈松战：其实我觉得难度并不是很大，只能说我们非常幸运。拉索探测器有一定的视场范围，这些探测器每个时刻只能观测到一部分天区，在地球另一边发生的伽马暴拉索就不可能观测到，而伽马暴发生时间也只有短短几秒、几十秒，但这个伽马暴大概持续了几百秒。

一般来说，伽马暴只有七分之一的概率发生在拉索视场中，相当于这个伽马暴恰好出现在这七分之一的概率中，而且像这么亮的伽马暴，据估算一千年才会发生一次，下一次再看到这么亮的伽马暴是一千年以后的事情了，而拉索刚刚建成一年就观测到这么亮的伽马暴，可以说是非常幸运的。

科技：您觉得此次的观测结果有怎样的意义？

陈松战：其实这一发现对我们研究领域是非常有意义的，因为一般伽马暴更多地是在低能波段被观测到，高能波段很少被观测到，在这次结果公布前，学界一直在争论，伽马暴爆发期到底存不存在高能辐射？

有的理论预言存在，有的预言没有，而这次的观测结果就可以排除一些理论模型，同时另一些理论模型也可以得到证据支撑。此外，这也是我们首次发现了伽马暴在高能段的完整演化行为。

科技：您觉得该成果是怎样挑战传统的伽马暴余辉标准模型的呢？

陈松战：一般来说，高能伽马光子的辐射强度会随能量升高快速减弱，但通过这次辐射能谱的精确测量可以看出，伽马暴辐射随能量升高并没有减弱，而是一直维持在较高的水平，所以这对基于大量低能波段观测建立的传统的伽马暴余辉标准模型是一个挑战。

科技：您觉得该观测成果对探究宇宙中星系的形成和演化过程有哪些帮助呢？

陈松战：从另一方面来说，我们把伽马暴当成一个工具，高能伽马光子在宇宙中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得就越强烈，通过伽马光子被吸收的形状可以研究低能背景光子的分布密度，这是与星系演化相关的。

科技：您觉得这一观测结果是否意味着宇宙并不黑暗，比想象中更透明更亮？

陈松战：我觉得这应该分两部分来看。通常我们说的黑暗是指高能段黑暗，也就是说在高能波段我们只能看到临近的银河系内的天体，看不到银河系外很远的天体，而在低能波段情况则不同，光子是可以透过来的。而这一观测结果意味着现在我们在高能波段突然可以看到银河系外更远的天体了，所以说这也是一个颠覆性的发现。

科技：您觉得高能伽马辐射的精确能谱是如何检验爱因斯坦相对论的适用范围的呢？又对探索暗物质候选粒子有哪些帮助呢？

陈松战：按照宇宙演化模型来说，来自24亿光年外这么高能量的伽马光子理论上应该是看不到的，但因为我们现在观测到了，所以就需要进行寻找物理解释。

爱因斯坦狭义相对论的基础是洛伦兹对称性，物理学中还有一个量子理论，这两个理论一直糅合不到一起，为了统一这两种理论，有一个理论就提出来让洛伦兹对称性破缺，也就是说在低能量情况下洛伦兹对称性是正确的，但在高能量情况这个理论需要修正，就是存在微小破缺，所以通过伽马暴能谱测量就可以检验破缺的能量，从而检验了爱因斯坦相对论的适用范围。

另一个可能的解释就是，假设存在标准模型之外的一种新粒子——轴子，轴子是暗物质粒子的候选粒子，轴子可以和高能光子进行转换。伽马暴产生于某个星系，星系中是存在磁场的，这是高能光子可以和轴子进行震荡，轴子跑出星系后星系中间的磁场会变弱，就又无法震荡回来，轴子在星系间飞行就不受宇宙背景光吸收了，等轴子到了银河系，而银河系也存在磁场，那就又继续开始震荡，变成伽马光子被我们看到了。

科技：“拉索”作为我国国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站”，具有哪些国际领先优势呢？

陈松战：“拉索”有三个世界之最，包括最灵敏的超高能伽马射线探测装置，最灵敏的甚高能伽马射线源巡天普查望远镜和能量覆盖范围最宽的超高能宇宙线复合式立体测量系统。

电磁波覆盖很宽的范围，从射电、光学、X射线到伽马射线，每个波段对宇宙的探索都有不同优势特点，所以有不同的侧重天体现象。甚高能和超高能伽马射线位于电磁波谱的最高能能量段，拉索在这方面研究具有国际领先优势，这个波段对应于宇宙中最剧烈和最极端条件的天体现象。