“拉索”又有新發(fā)現(xiàn)！全球首次精確觀測千年一遇伽馬暴余輝全程

出品：科普中國

作者：穿越星空團(tuán)隊(duì)

監(jiān)制：中國科普博覽

2023年6月9日，高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，中文簡稱“拉索”）對命名為GRB 221009A的伽馬射線暴（Gamma Ray Burst，GRB）的最新觀測研究成果在線發(fā)表于《科學(xué)》（Science）雜志，題為“極亮伽馬射線暴221009A窄噴流的萬億電子伏特余輝”（A tera-electronvolt afterglow from a narrow jet in an extremely bright gamma-ray burst 221009A）。該論文由LHAASO國際合作組完成。

高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）

（圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所）

約20億年前，一顆比太陽重20多倍的“超級太陽”大質(zhì)量恒星燃燒完其核聚變?nèi)剂?，瞬間坍縮引發(fā)巨大的爆炸火球，發(fā)出了一個持續(xù)幾百秒的巨大“宇宙煙花”伽馬射線暴?；鹎蚺c星際物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的大量萬億電子伏特高能伽馬光子穿過茫茫宇宙，徑直飛向地球，于2022年10月9日晚上21時(shí)20分50秒抵達(dá)“拉索”的視場范圍，6萬多個伽馬光子被“拉索”收集到。經(jīng)過幾個月的分析，科學(xué)家們終于揭開了這場爆炸事件的面紗。

伽馬射線暴是什么？

伽馬射線暴（也簡寫為伽馬暴）是宇宙大爆炸之后最劇烈的天體爆炸現(xiàn)象，是指來自天空中某一方向的伽馬射線突然增強(qiáng)的閃爍現(xiàn)象。伽馬暴短至千分之一秒，長則數(shù)小時(shí)。短時(shí)間的伽馬暴是由兩顆鄰近的致密星體（黑洞或中子星）并合產(chǎn)生，而長時(shí)間的伽馬暴是由巨大恒星（超級恒星）在燃料耗盡時(shí)塌縮爆炸產(chǎn)生。

2022年10月9日北京時(shí)間21時(shí)16分59.59秒，費(fèi)米衛(wèi)星（Fermi spacecraft）首先探測到一個異常明亮的伽馬暴，根據(jù)國際慣例命名為GRB221009A，后續(xù)幾十個空間和地面探測器都對此暴發(fā)進(jìn)行了觀測。這個伽馬暴為長暴，其亮度比以往最亮伽馬暴還要高幾十倍以上，過高的光子流量使得多個國際實(shí)驗(yàn)的探測器發(fā)生了飽和。我國高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）、高能爆發(fā)探索者（HEBS）衛(wèi)星和慧眼（Insight-HXMT）衛(wèi)星同時(shí)探測到了這個伽馬暴，實(shí)現(xiàn)了跨越11個量級的寬能量范圍天地協(xié)同觀測。

“拉索”探測伽馬射線暴（GRB 221009A）藝術(shù)圖

（圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所）

首次精確測量高能光子爆發(fā)的完整過程

這次“拉索”收集到的信號細(xì)節(jié)表明，探測到的光子來源于主爆之后的后隨爆炸。伽馬射線暴事件的“主爆”，也稱為瞬時(shí)輻射，是初始階段的巨大的爆炸，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的低能的伽馬射線輻射。接近于光速的爆炸物與周圍環(huán)境氣體碰撞則產(chǎn)生“后隨爆炸”，也稱為余輝?！袄鳌笔状尉_地觀測了“后隨爆炸”的完整過程，記錄了萬億電子伏特伽馬射線流量增強(qiáng)和衰減的整個階段。

憑借對上萬個伽馬射線暴的觀測，科學(xué)家們已經(jīng)建立了似乎完美的理論模型，甚至于對它深信不疑了。“拉索”實(shí)現(xiàn)了其它實(shí)驗(yàn)沒有達(dá)到的高能量波段光變過程的教科書式的完整觀測，對理論模型的精確檢驗(yàn)提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。鑒于此次爆發(fā)千年不遇的稀缺性，這個觀測結(jié)果預(yù)期將在今后幾十甚至上百年內(nèi)將保持最佳。

發(fā)現(xiàn)了此伽馬射線暴歷史最亮的秘密

“拉索”觀測表明，高能輻射在起爆之后不到10分鐘的某個時(shí)刻，亮度突然快速減弱了。這主要是因?yàn)?，爆炸后的拋射物是噴流狀的結(jié)構(gòu)，當(dāng)輻射張角擴(kuò)展到了噴流的邊緣時(shí)造成亮度快速下降。由于這個亮度轉(zhuǎn)折發(fā)生時(shí)間極早，由此測出了噴流的張角也極小，僅0.8度。這是迄今知道的最小張角的噴流，意味著觀測到的實(shí)際上是一個典型內(nèi)亮外暗噴流的最明亮的核心。正是由于觀測者碰巧正對噴流最明亮的核心，自然地解釋了為什么這個伽馬射線暴是歷史上最亮的，也解釋了為什么這樣的事件極其罕見。

“拉索”以超過250倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的高顯著水平觀測到了伽馬射線暴GRB 221009A的爆發(fā)

（圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所）

LHAASO：4410米高處，探索宇宙的超高能極限

LHAASO是以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，位于四川省稻城縣海子山，平均海拔4410米，占地面積約1.36平方公里。LHAASO由三個陣列組成：5216個電磁粒子探測器與1188個繆子探測器聯(lián)合構(gòu)成的1平方公里的地面簇射粒子探測器陣列（KM2A）、3120個探測單元構(gòu)成的78000平方米的水切倫科夫探測器陣列（WCDA）、18臺望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成的廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列（WFCTA），可以寬波段、多手段地測量來自于高能天體的伽馬射線和宇宙線，開展天體物理等方面的研究。

本次觀測成果主要由其中的水切倫科夫探測器陣列提供。該探測器利用36萬噸的純凈水作為介質(zhì)，通過水底放置的6240支不同尺寸的光敏探頭，測量伽馬射線或宇宙線在大氣層中運(yùn)動與作用過程的次級產(chǎn)物如低能伽馬光子、正負(fù)電子等，它們會在在水中產(chǎn)生切倫科夫光信號。該陣列對伽馬射線的觀測能量范圍跨域兩個量級，在千億電子伏特到十萬億電子伏特之間，且具有寬視場、全天候的特點(diǎn)，對伽馬暴這樣的突發(fā)天體現(xiàn)象的捕捉式觀測具有突出的優(yōu)勢。

高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）

（圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所）

“拉索”在最高能段的高統(tǒng)計(jì)量觀測，還會揭示更多的謎團(tuán)，科學(xué)家們還在不懈地深耕‘拉索’的數(shù)據(jù)，力圖揭示更多的奧秘。我們也期待更多的觀測研究成果，讓我們能更深入地了解宇宙。