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)剂希查g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（以下簡稱“伽馬暴”）。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)“拉索”的視場范圍，6萬多個伽馬光子被位于四川稻城海子山的高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，中文簡稱“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。

今日，“拉索”對這一命名為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。國際發(fā)布伽馬暴GRB 221009A預(yù)警后，LHAASO項(xiàng)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迅速組織多個團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)。本篇論文的數(shù)據(jù)分析結(jié)果由中國科學(xué)院高能物理研究所給出，理論解釋由南京大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等提供，通訊作者為王祥玉、姚志國、戴子高、查敏、黃勇、鄭見合。

首次精確測量高能光子爆發(fā)的完整過程

據(jù)介紹，“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。伽馬暴事件的“主爆”，也稱為瞬時輻射，是初始階段的巨大爆炸，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的低能伽馬射線輻射。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(qiáng)和衰減的整個階段。”曹臻說。

憑借對上萬個伽馬暴的觀測，科學(xué)家們已經(jīng)建立了似乎完美的理論模型。“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，為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)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(qiáng)。” 論文通訊作者之一、中國科學(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(qiáng)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(qiáng)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(jī)制？此次發(fā)表的觀測結(jié)果將會引發(fā)科學(xué)界對伽馬暴能量注入、光子吸收、粒子加速等機(jī)制的深入探討。

審稿專家評價：LHAASO合作組在TeV（萬億電子伏特）能區(qū)對伽馬暴最早余輝進(jìn)行了非常重要的、突破性的觀測。這是一項(xiàng)非凡的實(shí)驗(yàn)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(lǐng)域中引用最多的論文之一。通過這個“千年一遇”的事件為伽馬暴提供了一個全新的視角。

發(fā)現(xiàn)此伽馬暴歷史最亮的秘密

據(jù)介紹，2022年10月9日北京時間21時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GRB 221009A，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”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。” 論文通訊作者之一、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(shí)際上是一個典型內(nèi)亮外暗噴流最明亮的核心。“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(xué)技術(shù)大學(xué)教授戴子高表示。

增進(jìn)人類對伽馬暴輻射機(jī)制的理解，引發(fā)全球關(guān)注

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。2022年10月9日，一個有記錄以來最亮的伽馬暴被探測到，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(yùn)的，因?yàn)镚RB 221009A恰好落在了“拉索”的最佳觀測視場內(nèi)。“拉索”不負(fù)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(jìn)了人類對伽馬暴輻射機(jī)制以及噴流結(jié)構(gòu)等方面的理解。”

“拉索”的這一發(fā)現(xiàn)在全球天體物理學(xué)界引發(fā)了極大的關(guān)注，美國賓州州立大學(xué)講座教授、美國藝術(shù)與科學(xué)院院士、伽馬暴火球模型奠基人Peter Meszaros評價：“這一發(fā)現(xiàn)，得益于‘拉索’巨大的觀測面積和先進(jìn)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?cái)喱F(xiàn)象，由此可以計(jì)算出噴流張角約為0.8度，使得噴流總能量減少至約1051erg（爾格），與其他伽馬暴一致。”

北京師范大學(xué)天文系高鶴教授評價：“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(dāng)于太陽100億年輻射能量的總和。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(qiáng)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(shí)驗(yàn)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。”

“拉索”測量得到的伽馬射線暴GRB 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”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)。

將揭示更多謎團(tuán)

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(biāo)準(zhǔn)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(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(shí)驗(yàn)裝置，甚至是專門設(shè)計(jì)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。” 曹臻對“拉索”下一階段成果給出了樂觀的預(yù)期。

記者了解到，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的構(gòu)成與布局    

水切倫科夫探測器陣列示意圖    

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什么是伽馬射線暴？

伽馬射線暴（簡稱伽馬暴）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。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。（圖片由中國科學(xué)院高能物理研究所提供）