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。火球與星際物質(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21時20分50秒抵達(dá)高海拔宇宙線觀測站LHAASO（中文簡稱“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。
▲高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）
紅星新聞記者從中國科學(xué)院高能物理研究所（下稱中科院高能所）了解到，2023年6月9日，“拉索”對命名為GRB221009A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。
“拉索”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，項目由中國科學(xué)院和四川省人民政府共建，由中國科學(xué)院成都分院與中國科學(xué)院高能物理研究所承建，設(shè)施于2021年7月建成并全部投入運行，于2023年5月10日通過國家驗收。
“拉索”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。
▲水切倫科夫探測器陣列示意圖。裝置由3個大型水池構(gòu)成，水深4.5米。6240個光敏探頭與周圍的水體由黑色隔光簾分成3120個單元。
“拉索”首次精確測量高能光子爆發(fā)的完整過程
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的閃爍現(xiàn)象。伽馬暴短至千分之一秒，長則數(shù)小時。短時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，而長時間的伽馬暴是由巨大恒星（超級恒星）在燃料耗盡時塌縮爆炸產(chǎn)生。
經(jīng)過半個世紀(jì)的研究，人們認(rèn)識到伽馬暴產(chǎn)生于特別極端的物理環(huán)境，比如極高的磁場、極強的引力、極快的速度等等，伽馬暴由此成為天體物理甚至基礎(chǔ)物理領(lǐng)域青睞的極端物理實驗室。人們期望利用伽馬暴研究宇宙的演化歷史、重元素的起源以及相對論的正確性等重大問題，而在這之前必須對伽馬暴自身的物理起源具備深刻的了解。
▲高海拔宇宙線觀測站的構(gòu)成與布局
2022年10月9日北京時間21時16分59.59秒，費米衛(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驗的探測器發(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)星同時探測到了這個伽馬暴，實現(xiàn)了跨越11個量級的寬能量范圍天地協(xié)同觀測。
迄今為止已有上萬個伽馬暴被人類捕獲，而每一次對伽馬暴認(rèn)知的突破幾乎都得益于一些特殊事例的觀測。GRB221009A是有記錄以來最亮的伽馬暴，科學(xué)家推斷如此亮的伽馬暴掃過地球的概率是萬年一次。而這一次人類是極其幸運的，因為GRB221009A恰好落在了“拉索”的最佳觀測范圍內(nèi)。
“拉索”也不負(fù)眾望。
▲“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GRB221009A的爆發(fā)。
LHAASO項目首席科學(xué)家、LHAASO國際合作組發(fā)言人、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻告訴記者，“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”，也稱為瞬時輻射，是初始階段的巨大的爆炸，表現(xiàn)為強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。
“‘拉索’首次精確地觀測了‘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和衰減的整個階段?！辈苷檎f，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?！袄鳌睂崿F(xiàn)了其它實驗沒有達(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提供了實驗基礎(chǔ)。
值得一提的是，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)保持最佳。
▲“拉索”測量得到的伽馬射線暴221009A在5個時間段的本征譜與觀測譜，能量范圍約在2千億到7萬億電子伏特之間。
“拉索”將會揭示更多謎團(tuán)“在后隨爆炸過程中，‘拉索’首次探測到光子流量的極速增強?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧弧⒅袊茖W(xué)院高能物理研究所研究員姚志國說，不到兩秒的時間內(nèi)流量增強了100多倍，之后的緩慢增長行為卻符合后隨爆炸的預(yù)期特征。
早期如此快速的增強現(xiàn)象超出了以往理論模型的預(yù)期，這中間究竟存在著什么樣的機制？記者了解到，此次發(fā)表的觀測結(jié)果將會引發(fā)科學(xué)界對伽馬射線暴能量注入、光子吸收、粒子加速等機制的深入探討。
不僅首次測量到高能光子流量的快速增強過程，“拉索”還發(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分鐘的某個時刻，亮度突然快速減弱了。“這可解釋為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造成亮度快速下降?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧?、南京大學(xué)教授王祥玉說，由于這個亮度轉(zhuǎn)折發(fā)生時間極早，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?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧?、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授戴子高表示。
▲“拉索”觀測到的3千億到5萬億電子伏特能量范圍的GRB221009A余輝輻射的光變過程與能譜指數(shù)演化，以及函數(shù)擬合。“拉索”首次實現(xiàn)了伽馬射線暴千億電子伏特以上余輝輻射過程的完整觀測，發(fā)現(xiàn)了余輝輻射過程的快速增長現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了伽馬射線暴GRB221009A余輝輻射過程的快速衰減現(xiàn)象。
“拉索”在最高能段的高統(tǒng)計量觀測，也將揭示更多的謎團(tuán)。
在這個事件持續(xù)的10分鐘內(nèi)，“拉索”記錄到的光子數(shù)超過了過去幾年對“標(biāo)準(zhǔn)燭光”蟹狀星云觀測積累?！叭舭堰x擇條件降到最低，光子數(shù)可以達(dá)到10萬！”論文通訊作者之一、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員查敏說，對比同能區(qū)其它實驗裝置，甚至是專門設(shè)計來追蹤伽馬暴的設(shè)備，它們測到的光子數(shù)目僅在千個以下的水平，且都只測到了爆炸過后60秒以晚的“余輝”。
“截至目前，本場爆炸事件還有其它的許多新發(fā)現(xiàn)，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，敬請等待‘拉索’的后續(xù)數(shù)據(jù)分析成果?！辈苷閷Α袄鳌毕乱浑A段成果給出了樂觀的預(yù)期。
紅星新聞記者 彭祥萍 圖據(jù)中國科學(xué)院高能物理研究所
引自紅星新聞網(wǎng)2023.6.9版 原地址：https://static.cdsb.com/micropub/Articles/202306/851837c9989f8ee0f4e8e5fff1c00e60.html?fromUdid=E9904B5F-1FB2-4EA8-A825-38F9826B4217
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