完整記錄迄今最亮伽馬暴高能輻射全過程
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。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。2022年10月9日21時20分50秒，這些伽馬光子抵達“拉索”的視場范圍，其中，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)在燃料耗盡時坍縮爆炸產(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、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，實現(xiàn)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。”
GRB 221009A伽馬暴是有記錄以來人類探測到的最亮的伽馬暴。“鑒于此次爆發(fā)的稀缺性，這個觀測結果預期將在今后幾十甚至上百年內(nèi)保持最佳。”曹臻說。
首次探測到光子流量的極速增強
“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期，“后隨爆炸”過程中高能光子流量的增長應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期。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。”
此次“拉索”的觀測結果還表明，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。
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構，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，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。”論文通訊作者之一、中國科學技術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10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(shù)目僅在千個以下的水平，且都只測到了爆炸60秒以后的余輝。
天地聯(lián)合數(shù)據(jù)分析全面展開
北京時間2022年10月9日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GRB 221009A，后續(xù)幾十個空間和地面探測器都對此進行了觀測。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。
本次觀測結果意義重大。北京師范大學天文系教授高鶴說：“這一觀測結果大大增進了人類對伽馬暴輻射機制以及噴流結構等方面的理解。”
“截至目前，科學家們還在不懈地深耕‘拉索’的數(shù)據(jù)，力圖揭示更多奧秘。”曹臻說。
本報記者 吳月輝 《 人民日報 》( 2023年06月13日 第 12 版)
