“拉索”完整記錄大質量恒星死亡瞬間萬億電子伏特伽馬射線爆發(fā)全過程

2023年6月9日，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（Gamma Ray Burst，GRB）的最新觀測研究成果在線發(fā)表于《科學》（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。

約20億年前，一顆比太陽重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?；鹎蚺c星際物質碰撞產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。

“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。” LHAASO項目首席科學家、LHAASO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，科學家們已經建立了似乎完美的理論模型，甚至于對它深信不疑了?！袄鳌睂崿F(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。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將保持最佳。

“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。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?！斑@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。

“拉索”在最高能段的高統(tǒng)計量觀測，將會揭示更多的謎團

在這個事件持續(xù)的十分鐘內，“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)其它實驗裝置，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”。“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LHAASO下一階段成果給出了樂觀的預期。

圖1：“拉索”以超過250倍標準偏差的高顯著水平觀測到了伽馬射線暴GRB 221009A的爆發(fā)。

圖2：“拉索”測量得到的伽馬射線暴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。

圖3：“拉索”觀測到的3千億到5萬億電子伏特能量范圍的GRB221009A余輝輻射的光變過程與能譜指數(shù)演化，以及函數(shù)擬合?！袄鳌笔状螌崿F(xiàn)了伽馬射線暴千億電子伏特以上余輝輻射過程的完整觀測，發(fā)現(xiàn)了余輝輻射過程的快速增長現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了伽馬射線暴GRB221009A余輝輻射過程的快速衰減現(xiàn)象。

來源：中國科學院高能物理研究所