約20億年前，一顆比太陽重20多倍的“超級太陽”——大質量恒星燃燒完其核聚變燃料，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。火球與星際物質碰撞產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秒抵達我國大科學裝置高海拔宇宙線觀測站的視場范圍，6萬多個伽馬光子被“拉索”收集到。
經過幾個月的分析后，科學家們終于揭開了這場事件的面紗。
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的伽馬射線暴的最新觀測研究成果，在線發(fā)表于國際學術期刊《科學》雜志，題為“極亮伽馬射線暴221009A窄噴流的萬億電子伏特余輝”。該論文由LHAASO國際合作組完成。
“拉索”首次精確測量高能光子爆發(fā)的完整過程
“拉索”收集到的信號細節(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)境氣體碰撞則產生“后隨爆炸”，也稱為余輝。
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象。伽馬暴短至千分之一秒，長則數小時。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生。
“拉索”探測伽馬射線暴（GRB 221009A）藝術圖。中國科學院高能物理所供圖
“‘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?！?LHAASO項目首席科學家、LHAASO國際合作組發(fā)言人、中國科學院高能物理研究所研究員曹臻說。
憑借對上萬個伽馬射線暴的觀測，科學家們已經建立了似乎完美的理論模型，甚至于對它深信不疑了。團隊認為，“拉索”實現了其他實驗沒有達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。鑒于此次爆發(fā)千年不遇的稀缺性，這個觀測結果預期將在今后幾十甚至上百年內將保持最佳。
“在后隨爆炸過程中，‘拉索’首次探測到光子流量的極速增強?！?論文通訊作者之一、中國科學院高能物理研究所研究員姚志國說。不到兩秒的時間內流量增強了100多倍，之后的緩慢增長行為卻符合后隨爆炸的預期特征。早期如此快速的增強現象超出了以往理論模型的預期。究竟存在著什么樣的機制？此次發(fā)表的觀測結果將會引發(fā)科學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。
“拉索”發(fā)現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構，當輻射張角擴展到了噴流的邊緣時造成亮度快速下降?！?論文通訊作者之一、南京大學教授王祥玉說。由于這個亮度轉折發(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。” 論文通訊作者之一、中國科學技術大學教授戴子高表示。
在這個事件持續(xù)的十分鐘內，“拉索”記錄到的光子數超過了過去幾年對“標準燭光”蟹狀星云觀測積累?！叭舭堰x擇條件降到最低，光子數可以達到10萬！”論文通訊作者之一、中國科學院高能物理研究所研究員查敏說。對比同能區(qū)其他實驗裝置，甚至是專門設計來追蹤伽馬暴的設備，它們測到的光子數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”。
美國賓州州立大學講座教授、美國藝術與科學院院士、伽馬射線暴火球模型奠基人Peter Meszaros提到，得益于LHAASO巨大的觀測面積和先進的探測器技術，這是首次探測到TeV能區(qū)的早期余輝光變曲線，它們由外激波的同步輻射-自康普頓成分形成。此外，光變曲線顯示出了減速特征，給出了值約為440的平均洛倫茲因子的測量結果。它還觀測到了光變曲線的截斷現象，由此可以計算出噴流張角約為0.8度，使得噴流總能量減少至約1051 erg，與其他伽馬射線暴一致。
北京師范大學天文系高鶴教授認為，“伽馬射線暴（以下簡稱伽馬暴）是宇宙中最劇烈的爆發(fā)現象，其幾秒鐘輻射的能量相當于太陽100億年輻射能量的總和。經過半個世紀的研究，人們認識到伽馬暴產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物理領域青睞的極端物理實驗室?！?/p>
他進一步解釋，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。
“截至當下，本場事件還有其他的許多新發(fā)現，科學家們還在不懈地深耕‘拉索’的數據，力圖揭示更多的奧秘，敬請等待‘拉索’的后續(xù)數據分析成果。” 曹臻對LHAASO下一階段成果給出了樂觀的預期。
引自中青報客戶端2023.6.9版 原地址：https://s.cyol.com/articles/2023-06/09/content_ybWw9duR.html?gid=2V1Qqd1E
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