灼灼探光子 炯炯測余輝（科技自立自強）

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我國高海拔宇宙線觀測站“拉索”首次完整記錄了迄今最亮伽馬暴的萬億電子伏特伽馬射線爆發(fā)全過程，“拉索”國際合作組在此基礎(chǔ)上取得一系列觀測研究成果，相關(guān)成果6月9日在《科學(xué)》雜志在線發(fā)表。本次觀測結(jié)果意義重大，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。

6月9日，《科學(xué)》雜志在線發(fā)表了我國高海拔宇宙線觀測站“拉索”(LHAASO)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。

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�，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。2022年10月9日21時20分50秒，這些伽馬光子抵達(dá)“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(xué)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(xì)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(xué)家、中國科學(xué)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(dá)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。“鑒于此次爆發(fā)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。”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(xué)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。此次發(fā)表的觀測結(jié)果將會引發(fā)科學(xué)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。

論文通訊作者之一、南京大學(xué)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(dāng)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(xué)技術(shù)大學(xué)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(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)其他實驗裝置，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(yuǎn)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GRB221009A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。

本次觀測結(jié)果意義重大。北京師范大學(xué)天文系教授高鶴說：“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。”

“截至目前，科學(xué)家們還在不懈地深耕‘拉索’的數(shù)據(jù)，力圖揭示更多奧秘。”曹臻說。