2023年6月9日，《科學》（Science）雜志在線發(fā)表了我國高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，中文簡稱拉索）對命名為GRB221009A的伽馬射線暴的最新觀測研究成果：拉索首次完整記錄了大質(zhì)量恒星死亡瞬間萬億電子伏特伽馬射線爆發(fā)全過程。該成果由拉索國際合作組完成。

此次爆炸事件萬年一遇，預(yù)期觀測結(jié)果將在百年內(nèi)保持最佳

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。

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。

此次拉索收集到的信號細節(jié)表明，探測到的光子來源于伽馬射線暴事件“主爆”之后的“后隨爆炸”。

拉索項目首席科學家、拉索國際合作組發(fā)言人、中國科學院高能物理研究所研究員曹臻說：“‘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?！?

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。拉索實現(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(chǔ)。

GRB221009A伽馬暴是有記錄以來人類探測到的最亮的伽馬暴，科學家推斷如此亮的伽馬暴掃過地球的概率是萬年一次?！拌b于此次爆發(fā)萬年不遇的稀缺性，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?！?曹臻說。

“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。

按照以往理論模型的預(yù)期，后隨爆炸過程中高能光子流量的增長應(yīng)該是一直比較緩慢平穩(wěn)的。但這次拉索觀測到，在后隨爆炸的早期不到兩秒的時間里，高能光子流量增強了100多倍。

姚志國說：“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。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。

此次拉索的觀測結(jié)果還表明，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。

論文通訊作者之一，南京大學教授王祥玉說：“這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?！?

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極其罕見?！?論文通訊作者之一，中國科學技術(shù)大學教授戴子高表示。

此外，在這個伽馬射線暴事件持續(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。

“若把選擇條件降到最低，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(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”。

本場爆炸事件還有許多新發(fā)現(xiàn)，更多謎團將會被揭示

2022年10月9日北京時間21時16分59.59秒，美國的伽馬射線空間望遠鏡衛(wèi)星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。我國高海拔宇宙線觀測站、高能爆發(fā)探索者衛(wèi)星和慧眼衛(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。

曹臻說：“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?！?

本次觀測成果主要由拉索的水切倫科夫探測器陣列提供。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。

國際發(fā)布伽馬暴GRB 221009A預(yù)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。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。

本次的觀測結(jié)果意義重大。

北京師范大學天文系教授高鶴說：“拉索不負眾望，首次在TeV（注：萬億電子伏特）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?！?

“截至當下，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?！?曹臻對拉索下一階段成果給出了樂觀的預(yù)期。

（記者 吳月輝）