約20億年前，一顆比太陽質量大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(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(jīng)過幾個月的分析后，科學家們終于揭開了這場事件的面紗。

　　前不久，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(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。

　　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。伽馬暴短則千分之一秒，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。

　　“‘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。”“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。

　　憑借對上萬個伽馬射線暴的觀測，科學家已經(jīng)建立了似乎完美的理論模型，甚至于對它深信不疑了。團隊認為，“拉索”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。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(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。

　　“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10分鐘內，“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“拉索”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(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。

　　北京師范大學天文系高鶴教授認為，“伽馬射線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。”

　　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(xiàn)，科學家還在不懈地深耕‘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期。

　　中青報·中青網(wǎng)見習記者 楊潔 來源：中國青年報