“拉索”新成果！揭秘史上最亮伽馬射線暴

出品：科普中國

作者：黃勇（中國科學院高能物理研究所） 鄭見合（南京大學）

監(jiān)制：中國科普博覽

北京時間2022年10月9日晚，美國費米衛(wèi)星探測到來自外太空的一個伽馬射線暴（以下簡稱伽馬暴）事件，命名為GRB 221009A。此伽馬暴巨大的輻射流量導致了多數(shù)國際空間衛(wèi)星實驗探測器探測能力的飽和，造成了儀器的短暫失靈或數(shù)據(jù)堆積。

隨后，經(jīng)過全球多個探測器的對比分析，天文學家們一致認為，這是人類歷史上記錄到的最亮的伽馬暴，比第二位的要亮50倍左右，并由此起名BOAT（brightest of all time)。

在這次爆發(fā)期間，我國的高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，中文簡稱“拉索”）表現(xiàn)出色，獲取了極高質(zhì)量的萬億電子伏特觀測數(shù)據(jù)，不僅首次描繪出了伽馬暴萬億電子伏特余輝的光度上升階段，還發(fā)現(xiàn)了極早期余輝的光變折斷現(xiàn)象。

高海拔宇宙線觀測站

（圖片來源：中國科學院高能物理研究所）

伽馬暴，恒星消亡的絕唱

伽馬暴是天空中突然出現(xiàn)的伽馬射線爆發(fā)的現(xiàn)象。

自1967年首次被發(fā)現(xiàn)后，伽馬暴的起源一直困擾著天文學家。地面上的伽馬射線一般來自放射性元素，因此地球上的伽馬射線爆發(fā)往往與劇烈的核爆相關。但是天空中恒星的核反應較為穩(wěn)定，不會有突然的爆發(fā)現(xiàn)象。

天空中的伽馬暴來自什么天體？它們處在我們的銀河系還是遙遠的宇宙？為什么這些伽馬射線會爆發(fā)性地產(chǎn)生又快速消失？

相關的問題直到20世紀90年代才有了明確的答案。1997年，由于BeppoSAX衛(wèi)星提供了很好的X射線余輝的定位，伽馬暴被證實來自遙遠的星系，伽馬暴的相對論性火球模型也得到了多方面的證實。

伽馬暴的秘密終于被人們揭開：伽馬暴起源于一個以接近光速運動的“火球”，“火球”中包含了大量的伽馬光子和正負電子對。由于“火球”中的強磁場環(huán)境，高能電子可以通過同步輻射等機制產(chǎn)生伽馬射線。

這一次，“拉索”接收到伽馬射線的過程是這樣的：

約20億年前，一個大質(zhì)量恒星核聚變?nèi)剂虾谋M，由引力作用導致塌縮，噴射出極窄的錐狀的“火球”?！盎鹎颉敝挟a(chǎn)生大量的高能伽馬光子，這些高能光子恰好朝著地球的方向飛行，越過24億光年的距離到達地球。這些高能光子在到達地球時已經(jīng)發(fā)散到幾千個銀河系的范圍，最終只有極少量的伽馬光子能夠擊中地球。

當伽馬光子進入大氣層后，會和地球大氣中的原子核碰撞，碎裂成一對正負電子。正負電子與大氣原子核碰撞，產(chǎn)生稍低能量的光子。這些光子繼續(xù)碎裂，如此往復，原本的一個伽馬光子迅速化成一簇，枝繁葉茂，愈加壯大，單個粒子的能量則越來越低，直至能量分散耗盡，不再發(fā)生作用。

北京時間2022年10月9日晚上21點21分，伽馬光子陸續(xù)到達地球，進入大氣，一道道空氣簇射轟擊地表，可惜人眼無法分辨這些壯觀的簇射?！袄鳌蹦慷昧艘磺?，人類便利用“拉索”穿越20億年，去解讀那顆24億光年外的恒星的秘密。

一個高能伽馬事例擊中“拉索”，藝術加工圖

（圖片來源：中國科學院高能物理研究所，由中國科學技術大學藝術與科學研究中心制作）

余輝，解密伽馬暴的絕佳探針

“拉索”是怎樣解讀那顆恒星的秘密的？這要從伽馬暴的余輝說起。

當伽馬暴噴射的“火球”與星際介質(zhì)（如塵埃、氣體）碰撞之后，會加速包括電子、原子核等在內(nèi)的粒子。其中，高能電子會輻射出包括射電、紅外、可見光、紫外、X射線、伽馬射線在內(nèi)的各種波段的電磁波，猶如彩虹一樣在天空中持續(xù)幾個小時、數(shù)天甚至數(shù)月，這一現(xiàn)象被稱為“余輝”。

錐狀“火球”與星際介質(zhì)作用產(chǎn)生的余輝

（圖片來源：中國科學院高能物理研究所，由中國科學技術大學藝術與科學研究中心制作）

余輝過程剛開始，伽馬光子會以越來越快的速度持續(xù)產(chǎn)生，產(chǎn)生光子的數(shù)量在非常短的時間內(nèi)達到最大。這個過程中“火球”的能量逐漸損失，輻射光子的數(shù)量增加也逐漸放緩。

在“拉索”的“眼”里，天空被突然點亮，然后逐漸暗淡，“拉索”可以“感受”到伽馬射線暴亮度變化。伽馬光子擊中地球的過程，就像夏天的驟雨，來得迅猛，去得悠長。科學家用“光變曲線”描述余輝亮度隨時間變化的過程，包含亮度上升和下降兩個主要階段。

余輝的發(fā)現(xiàn)和觀測給伽馬暴的研究帶來了突破性的進展。相比于只持續(xù)很短時間的伽馬暴火球內(nèi)部相互作用產(chǎn)生的輻射（稱作瞬時輻射），余輝持續(xù)的時間更長，輻射的波段更豐富，能夠給人類提供關于伽馬暴“火球”更全面的信息。

幾十年來，天文學家已經(jīng)從射電、光學、X射線、伽馬射線等多個波段觀測到了近萬個伽馬暴的余輝，基本上已經(jīng)完善了余輝的圖像。但是對余輝的起始過程，即亮度逐漸增強的階段，天文學家觀測到的情況并不多。

這是因為，亮度上升階段的延續(xù)時間非常短，大概只有幾十秒左右，需要儀器快速瞄準實施跟蹤觀測才能實現(xiàn)。而且，由于輻射流量隨能量的提高會迅速下降，天文學家從未在高能段觀測到余輝亮度的上升。

這個沒觀測到的波段，是否蘊藏著新的秘密？

“拉索”，首次實現(xiàn)高能余輝輻射的完整觀測

2018年以來，已經(jīng)有兩個大氣切倫科夫望遠鏡觀測到了3次伽馬暴萬億電子伏特（TeV）能量范圍的余輝。但由于望遠鏡需要一定的時間轉(zhuǎn)到伽馬暴的方向，它們只看到了余輝的下降階段，并沒有描繪出高能余輝完整的時間演化圖景。

但“拉索”不一樣。“拉索”有三個優(yōu)勢，讓我們有更多的機會實現(xiàn)對伽馬暴余輝更好的觀測。

一是從千億到十萬億電子伏特能量范圍超高的靈敏度。“拉索”的水切倫科夫探測器陣列的全覆蓋面積高達78000平方米，是國際同類探測器的4倍，可以觀測非常微弱的伽馬射線暴信號。

二是寬廣的觀測視場。“拉索”可以同時觀測1/6的空間范圍，是望遠鏡裝置的數(shù)百倍，無需旋轉(zhuǎn)就可以捕捉到更多的伽馬暴。

**三是全天候的工作狀態(tài)。**無論是白天還是晚上，晴天還是降雨，“拉索”都可以持續(xù)觀測，不必像望遠鏡那樣只能在晴朗的夜里工作。

“拉索”水切倫科夫探測器陣列示意圖

（圖片來源：中國科學院高能物理研究所）

伽馬暴的觀測是“拉索”的重要科學目標之一。伽馬暴221009A的高能輻射信號于2022年10月9日晚21時20分50秒抵達“拉索”的視場范圍，在此之后不到1個小時的時間內(nèi)，6萬多個伽馬光子被“拉索”以極佳的觀測角度收集到，顯著性高達250倍標準偏差。

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，成果論文于2023年6月9日在線發(fā)表于Science雜志。仰仗“拉索”，**人類終于第一次完整地“看”到了伽馬暴高能余輝輻射從上升到下降的全部演化過程，**補足了余輝光變曲線上缺失的那一塊拼圖。

“拉索”觀測到的完整萬億電子伏特能量范圍的光變曲線

（圖片來源：中國科學院高能物理研究所）

那么，觀測余輝亮度上升的階段，究竟有怎樣的重要意義呢？

“拉索”監(jiān)測到了余輝發(fā)生后數(shù)秒內(nèi)的情況，并根據(jù)光變曲線推算出了伽馬暴余輝輻射的起始時間。

**理論模型對于極早期余輝的一些猜測也可以得到驗證。**在以前的理論分析中，余輝的第一縷光應該出現(xiàn)在伽馬暴瞬時輻射爆發(fā)的峰值階段，這一時刻和其他探測器觀測到的伽馬暴峰值時刻基本吻合。

“拉索”探測到了余輝光變曲線的上升階段，給出了從起始到峰值的時間間隔，理論學家就可以根據(jù)模型推斷出GRB221009A“火球”的運動速度。相比之下，此伽馬暴“火球”噴射的速度更快，洛倫茲因子高達440，與真空中光速的差異僅為百萬分之三！

光變折斷，揭示了BOAT的奧秘

除以上發(fā)現(xiàn)外，“拉索”直接觀測到了余輝出現(xiàn)700秒后開始的亮度突變，光變曲線存在一個折斷的結構，這一現(xiàn)象被認為是看到了“火球”噴流的邊緣。

伽馬暴的“火球”從何而來？現(xiàn)在的理論都認為是來自中心天體產(chǎn)生的相對論性噴流。中心天體可以是高速旋轉(zhuǎn)的中子星或者黑洞，借助快速旋轉(zhuǎn)形成的極其劇烈的電磁場把一部分引力塌縮的反沖物質(zhì)沿旋轉(zhuǎn)軸方向拋出，形成如同煙花點燃一樣的噴射。如果這些物質(zhì)的噴射速度接近光速，就會有相對論的集束效應，像一束聚光燈一樣把光聚集在一起。

假如“聚光燈光束”的大小比噴流自身要小，而觀測者又處在光束之中，那么我們是無法分辨噴流的形狀的，因為此時看到的光全是被聚集之后的。

但是噴流無法一直保持一樣的速度，當速度降低后，其聚光能力就會減弱，此時我們就可以看到噴流的邊緣。它在視覺上的平均亮度也會更低，表現(xiàn)為光度的下降突然變快，出現(xiàn)了一個明顯的拐折，或稱為折斷，這個折斷正是噴流形狀大小的證據(jù)。

以前多個實驗也觀測到了很多伽馬暴的光變折斷，但是這些現(xiàn)象往往都出現(xiàn)在余輝出現(xiàn)的幾個小時之后?！袄鳌边@次觀測的結果，是人們第一次在數(shù)百秒內(nèi)就看到了余輝的光變折斷，是有史以來最早的，這對我們理解噴流及其產(chǎn)生機制有巨大的幫助。

這是因為，只有看到了光變折斷，我們才能判斷噴流本身的大小，進而推斷產(chǎn)生這樣的“火球”所需要的條件。

從“拉索”的觀測數(shù)據(jù)中，科學家們推斷，這個噴流的半張角僅有0.8度。這是迄今知道的最小張角的噴流，意味著觀測到的光子實際上來自典型噴流最明亮的核心。正是由于觀測者碰巧正對著噴流最明亮的核心，自然地解釋了為什么這個伽馬暴是歷史上最亮的原因，也解釋了為什么這樣的事件極其罕見。

光變折斷成因示意圖。余輝發(fā)光具有較強的準直性，觀測者最初僅看到錐狀“火球”的中間區(qū)域，隨著“火球”減速，發(fā)光準直性降低，視野慢慢擴大，最終看到整個“火球”。

（圖片來源：參考文獻[10]）

快速上升，仍然未解的謎題

得益于優(yōu)越的觀測能力和極佳的觀測角度，“拉索”對GRB 221009A這個千年一遇的、有史以來記錄到的最亮的伽馬暴事件進行了完美的觀測，首次實現(xiàn)了伽馬暴高能余輝輻射光變曲線的完整測量，直接觀測到了余輝輻射的折斷現(xiàn)象，解釋了此伽馬暴最亮的成因，并驗證了伽馬暴的經(jīng)典理論。這個觀測結果將會在人類伽瑪暴觀測史上留下濃重的一筆。

但這并不是終點。

在光變曲線中，包含了一個快速上升階段，在不到兩秒的時間內(nèi)伽馬暴輻射流量增強了100多倍，之后的緩慢增長行為卻符合后隨爆炸的預期特征。這是國際上首次探測到伽馬暴余輝輻射中光子流量的極速增強現(xiàn)象。如此快速的增強超出了以往理論模型的預期。

這里面究竟存在著什么樣的機制？

相信此次發(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?？茖W家們會在這一領域繼續(xù)深耕，為我們揭開更多伽馬暴的謎題。

參考文獻：

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[4] LHAASO Collaboration. A tera–electron volt afterglow from a narrow jet in an extremely bright gamma-ray burst [J]. Science, 2023. DOI: 10.1126/science.adg9328

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[9]arXiv:2305.17030v1 [astro-ph.HE]

[10] Woosley, S. Blinded by the light. Nature 414, 853–854 (2001).