“拉索”又有新發(fā)現(xiàn)！全球首次精確觀測千年一遇伽馬暴余輝全程

出品：科普中國

作者：穿越星空團隊

監(jiān)制：中國科普博覽

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。

高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）

（圖片來源：中國科學院高能物理研究所）

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?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。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(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。

伽馬射線暴是什么？

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）在燃料耗盡時塌縮爆炸產(chǎn)生。

2022年10月9日北京時間21時16分59.59秒，費米衛(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GRB221009A，后續(xù)幾十個空間和地面探測器都對此暴發(fā)進行了觀測。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驗的探測器發(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，實現(xiàn)了跨越11個量級的寬能量范圍天地協(xié)同觀測。

“拉索”探測伽馬射線暴（GRB 221009A）藝術圖

（圖片來源：中國科學院高能物理研究所）

首次精確測量高能光子爆發(fā)的完整過程

這次“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?！袄鳌笔状尉_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。

憑借對上萬個伽馬射線暴的觀測，科學家們已經(jīng)建立了似乎完美的理論模型，甚至于對它深信不疑了?！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(nèi)將保持最佳。

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。這主要是因為，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(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。

“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)

（圖片來源：中國科學院高能物理研究所）

LHAASO：4410米高處，探索宇宙的超高能極限

LHAASO是以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎設施，位于四川省稻城縣海子山，平均海拔4410米，占地面積約1.36平方公里。LHAASO由三個陣列組成：5216個電磁粒子探測器與1188個繆子探測器聯(lián)合構成的1平方公里的地面簇射粒子探測器陣列（KM2A）、3120個探測單元構成的78000平方米的水切倫科夫探測器陣列（WCDA）、18臺望遠鏡構成的廣角切倫科夫望遠鏡陣列（WFCTA），可以寬波段、多手段地測量來自于高能天體的伽馬射線和宇宙線，開展天體物理等方面的研究。

本次觀測成果主要由其中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，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動與作用過程的次級產(chǎn)物如低能伽馬光子、正負電子等，它們會在在水中產(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，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（LHAASO）

（圖片來源：中國科學院高能物理研究所）

“拉索”在最高能段的高統(tǒng)計量觀測，還會揭示更多的謎團，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。我們也期待更多的觀測研究成果，讓我們能更深入地了解宇宙。