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》（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。
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日晚上21時20分50秒抵達“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，科學家們終于揭開了這場爆炸事件的面紗。
“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(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，” 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(jīng)建立了似乎完美的理論模型，甚至于對它深信不疑了?！袄鳌睂崿F(xiàn)了其它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(jié)果預期將在今后幾十甚至上百年內(nèi)將保持最佳。
“拉索”首次測量到高能光子流量的快速增強過程
“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(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期。究竟存在著什么樣的機制？此次發(fā)表的觀測結(jié)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(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?！斑@可解釋為爆炸后的拋射物是噴流狀的結(jié)構(gòu)，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(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?！罢怯捎谟^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及其罕見，” 論文通訊作者之一，中國科學技術(shù)大學教授戴子高表示。
“拉索”在最高能段的高統(tǒng)計量觀測，將會揭示更多的謎團
在這個事件持續(xù)的十分鐘內(nèi)，“拉索”記錄到的光子數(shù)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(shù)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)其它實驗裝置，甚至是專門設計來追蹤伽馬暴的設備，它們測到的光子數(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”?！敖刂廉斚?，本場爆炸事件還有其它的許多新發(fā)現(xiàn)，科學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。” 曹臻對LHAASO下一階段成果給出了樂觀的預期。
背景資料：伽馬射線暴
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。
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。衛(wèi)星觀測的預印本成果已于3月28日發(fā)布。后續(xù)的天地聯(lián)合數(shù)據(jù)分析已經(jīng)全面展開，更多觀測研究成果將會陸續(xù)發(fā)表。
背景資料：LHAASO
LHAASO是以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎設施，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臺望遠鏡構(gòu)成的廣角切倫科夫望遠鏡陣列（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動與作用過程的次級產(chǎn)物如低能伽馬光子、正負電子等，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，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。
LHAASO于2015年12月31日獲得國家發(fā)展和改革委員會批復立項，項目由中國科學院和四川省人民政府共建，由中國科學院成都分院與中國科學院高能物理研究所承建，建設周期4年。設施于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。設施的運行由中國科學院高能物理研究所承擔。充分發(fā)揮中國科學院建制化研究的優(yōu)勢，依托設施開展觀測與數(shù)據(jù)分析。采用通用的國際合作模式，實現(xiàn)設施平臺與觀測數(shù)據(jù)的開放共享。
目前，已有32個國內(nèi)外天體物理研究機構(gòu)成為LHAASO的國際合作組成員單位，成員約280人。中國科學院高能物理研究所曹臻研究員是LHAASO項目的首席科學家、LHAASO國際合作組發(fā)言人，組織與主持LHAASO的實驗觀測與各項科學研究工作。國際發(fā)布伽馬暴GRB 221009A預警后，曹臻迅速組織多個團隊開展了數(shù)據(jù)分析與理論解釋工作，包括本篇論文主要作者組成的團隊。本篇論文的數(shù)據(jù)分析結(jié)果由中國科學院高能物理研究所給出，理論解釋由南京大學、中國科學技術(shù)大學等提供，通訊作者為王祥玉、姚志國、戴子高、查敏、黃勇、鄭見合。
專家評價
1. 美國賓州州立大學講座教授、美國藝術(shù)與科學院院士、伽馬射線暴火球模型奠基人Peter Meszaros的評價：
得益于LHAASO巨大的觀測面積和先進的探測器技術(shù)，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(jié)果。它還觀測到了光變曲線的截斷現(xiàn)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。
2. 北京師范大學天文系高鶴教授的評價：
“伽馬射線暴（以下簡稱伽馬暴）是宇宙中最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)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(jīng)過半個世紀的研究，人們認識到伽馬暴產(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物理領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?！?o:p>
“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知的突破幾乎都得益于一些特殊事例的觀測。2022年10月9日，一個有記錄以來最亮的伽馬暴（后被命名為GRB221009A）被探測到，科學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LHAASO的最佳觀測范圍內(nèi)。LHAASO不負眾望，首次在TeV能量處給出了伽馬暴完整的光變曲線與能譜，這一觀測結(jié)果大大增進了人類對伽馬暴輻射機制以及噴流結(jié)構(gòu)等方面的理解?！?o:p>
3. 審稿專家評價：
1) LHAASO合作組在TeV能區(qū)對伽馬射線暴最早余輝進行了非常重要的、突破性的觀測。
2) 這是一項非凡的實驗結(jié)果，值得迅速發(fā)表，并非常適合在此期刊上發(fā)表——它有可能成為該領域中引用最多的論文之一。我對合作組取得的這一結(jié)果表示祝賀，通過這個“千年一遇”的事件為伽馬射線暴提供了一個全新的視角。
3) LHAASO對GRB 221009A的觀測首次捕捉到了余輝輻射的上升階段......我對LHAASO合作組的杰出成果表示祝賀。
圖1：“拉索”以超過250倍標準偏差的高顯著水平觀測到了伽馬射線暴GRB 221009A的爆發(fā)。
圖2：“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。
圖3：“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?！袄鳌笔状螌崿F(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。
圖4：高海拔宇宙線觀測站的構(gòu)成與布局。
圖5：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。
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