迄今最亮“宇宙煙花秀”被完整記錄，入選年度十大科學(xué)進(jìn)展，“拉索”這一成果究竟講了啥？

2024年2月29日，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)發(fā)布了2023年度“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”，由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所曹臻院士領(lǐng)導(dǎo)的高海拔宇宙線觀測(cè)站（簡(jiǎn)稱“拉索”，英文LHAASO）國(guó)際合作組發(fā)布的重大進(jìn)展——“拉索”發(fā)現(xiàn)史上最亮伽馬暴的極窄噴流和十萬(wàn)億電子伏特光子——入選。這一成果的相關(guān)論文發(fā)表在2023年6月8日的Science和2023年11月15日Science Advances上。

初次看到這一成果，是不是字都認(rèn)識(shí)但組合起來(lái)卻有點(diǎn)兒不太懂？下面我就來(lái)給大家科普一下。

“拉索”發(fā)現(xiàn)史上最亮伽馬暴的極窄噴流和十萬(wàn)億電子伏特光子（藝術(shù)示意圖）

1、伽馬暴，百億光年外的“宇宙煙花秀”

伽馬射線暴（簡(jiǎn)稱“伽馬暴”）是天空中突然發(fā)生的短暫伽馬射線爆發(fā)現(xiàn)象，是宇宙大爆炸之后最劇烈的天體爆炸現(xiàn)象。如果要用一個(gè)形象的比喻的話，伽馬暴就像一個(gè)巨大的煙花，只不過(guò)，煙花我們可以直接肉眼觀賞到，但要觀測(cè)伽馬暴則需要用到專門的大型科學(xué)裝置。

伽馬暴首次發(fā)現(xiàn)于1967年，其主要輻射在100keV-10MeV伽馬射線波段，人類利用空間衛(wèi)星探測(cè)器至今已經(jīng)記錄到近萬(wàn)個(gè)伽馬暴事件。根據(jù)輻射持續(xù)時(shí)間，伽馬暴分為兩類：時(shí)間小于2秒的短暴和時(shí)間大于2秒的長(zhǎng)暴。

那么伽馬暴是如何誕生的呢？目前科學(xué)界一般認(rèn)為，長(zhǎng)暴起源于超大質(zhì)量恒星核心坍縮，短暴起源于兩個(gè)中子星并和，兩種過(guò)程都產(chǎn)生速度接近光速的噴流。不管是長(zhǎng)暴還是短暴，他們都來(lái)自于遙遠(yuǎn)的河外星系，平均距離在100億光年左右。

2、大能量伽馬暴輻射，要完整觀測(cè)并不容易

伽馬暴的輻射分為兩個(gè)階段：瞬時(shí)輻射和余輝輻射。余輝是伽馬暴爆發(fā)之后的后隨輻射，最早于1997年發(fā)現(xiàn)。

一般認(rèn)為伽馬暴中心引擎先產(chǎn)生一個(gè)溫度極高的火球，它以極端相對(duì)論的速度向外膨脹，當(dāng)后面較快的物質(zhì)追趕上前面較慢的物質(zhì)之后發(fā)生碰撞，產(chǎn)生內(nèi)激波。內(nèi)激波加熱電子到相對(duì)論能量，相對(duì)論電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，通過(guò)同步輻射或逆康普頓散射產(chǎn)生keV/MeV的伽馬射線，這就是伽馬暴的瞬時(shí)輻射。

相對(duì)論性物質(zhì)繼續(xù)掃過(guò)星際介質(zhì)，產(chǎn)生外激波。外激波加速星際介質(zhì)中的電子，通過(guò)電子的同步輻射產(chǎn)生相對(duì)緩慢變化的X射線、光學(xué)、射電等波段的輻射，即余輝輻射。

伽馬暴萬(wàn)億電子伏特的輻射直到2019年才被地面大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡在余輝階段觀測(cè)到，至今也僅觀測(cè)到3個(gè)事例。通過(guò)對(duì)多波段聯(lián)合觀測(cè)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)余輝輻射的能譜存在兩個(gè)光譜成分，低能成分認(rèn)為是電子在磁場(chǎng)中的同步輻射，而高能成分認(rèn)為是高能電子對(duì)同步輻射光子的逆康普頓散射。

由于大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡只能在晴朗的無(wú)月夜晚觀測(cè)，而且具有很窄的視場(chǎng)，因此在收到衛(wèi)星報(bào)警信息后需要一定的時(shí)間轉(zhuǎn)到伽馬暴的方向，它們只看到了余輝的下降階段，而錯(cuò)過(guò)了瞬時(shí)輻射階段和余輝上升階段的觀測(cè)。

3、中國(guó)“拉索”，助人類揭開迄今最亮伽馬暴的秘密

“拉索”是十二五國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長(zhǎng)期規(guī)劃項(xiàng)目，在研制過(guò)程中發(fā)展了多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，2021年完成全部建設(shè)并開始穩(wěn)定運(yùn)行，在超高能伽馬射線探測(cè)靈敏度、甚高能伽馬射線巡天普查靈敏度、宇宙線能量覆蓋區(qū)間均達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，并于2023年5月優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。

位于海拔4410米高原的高海拔宇宙線觀測(cè)站（簡(jiǎn)稱“拉索”，英文LHAASO）航拍圖 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所供圖

伽馬暴是“拉索”的重要科學(xué)目標(biāo)之一，相比大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡，“拉索”探測(cè)器具有大得多的視場(chǎng)，每個(gè)時(shí)刻可以監(jiān)視1/7的全天區(qū)，而且具有全天候觀測(cè)時(shí)間，因而可以觀測(cè)到伽馬暴瞬時(shí)輻射和早期余輝。

北京時(shí)間2022年10月9日晚，空間衛(wèi)星記錄到人類歷史上已知最亮的伽馬暴（命名為GRB 221009A），其產(chǎn)生于一顆比太陽(yáng)重20多倍的大質(zhì)量恒星在燃料耗盡時(shí)的塌縮爆炸，根據(jù)已有的觀測(cè)事例估計(jì)，如此亮的伽馬暴出現(xiàn)的頻次為千年一次。

得益于“拉索”的大視場(chǎng)和高靈敏度，人類終于第一次完整地看到了伽馬暴萬(wàn)億電子伏特余輝輻射從上升到下降的完整演化過(guò)程。根據(jù)“拉索”探測(cè)到亮度峰值時(shí)間，推算出伽馬暴噴流初始速度的洛倫茲因子約為440，比普通伽馬暴噴流速度快很多。

“拉索”觀測(cè)到了萬(wàn)億電子伏特輻射在早期存在一個(gè)極快上升的階段，這一新現(xiàn)象在其他波段余輝中從未觀測(cè)過(guò)，這可能是由于中心引擎在早期向余輝持續(xù)注入了大量能量所致?！袄鳌边€觀測(cè)到亮度在700秒左右出現(xiàn)了快速下降，根據(jù)“拉索”測(cè)量時(shí)間可以推斷噴流半張角僅有0.8°，這是迄今發(fā)現(xiàn)的最窄伽馬暴噴流，從而揭示了這個(gè)伽馬暴歷史上最亮的秘密。

4、“拉索”的這次發(fā)現(xiàn)，為伽馬暴理論研究帶來(lái)新啟示

“拉索”探測(cè)到了來(lái)自GRB 221009A最高光子能量達(dá)13萬(wàn)億電子伏特，首次打開伽馬暴10萬(wàn)億電子伏特觀測(cè)窗口，是伽馬暴六十年研究歷史上的里程碑?；诮f(wàn)例伽馬暴的低能觀測(cè)，科學(xué)家已經(jīng)建立了余輝的標(biāo)準(zhǔn)理論模型，萬(wàn)億電子伏特余輝輻射起源于相對(duì)論電子的同步自康普頓輻射，理論上能量越高的光子其亮度應(yīng)該明顯下降，但“拉索”測(cè)量卻發(fā)現(xiàn)GRB 221009A的輻射一直延伸到10萬(wàn)億電子伏特以上，沒有出現(xiàn)預(yù)期的變暗現(xiàn)象，對(duì)伽馬暴余輝標(biāo)準(zhǔn)輻射模型提出了挑戰(zhàn)，預(yù)示著10萬(wàn)億電子伏特左右光子可能產(chǎn)生于更復(fù)雜的粒子加速過(guò)程或者存在新的輻射機(jī)制。

高能伽馬光子在宇宙空間傳播時(shí)會(huì)被宇宙中彌漫的背景光吸收，伽馬光子能量越高，吸收越強(qiáng)烈。

宇宙背景光是宇宙中不同距離處所有的星系輻射產(chǎn)物的總和，與星系的形成和演化密切相關(guān)。GRB 221009A距離地球約24億光年，在現(xiàn)有宇宙背景光模型下預(yù)期“拉索”難探測(cè)到其10 萬(wàn)億電子伏特以上的光子，“拉索”測(cè)量結(jié)果則顯示宇宙比原來(lái)預(yù)期的要透明，要求紅外波段宇宙背景光強(qiáng)度僅為現(xiàn)有宇宙學(xué)模型預(yù)期的40%左右，對(duì)研究宇宙中星系的形成和演化過(guò)程具有重要價(jià)值。

另一方面，如果認(rèn)為現(xiàn)有宇宙背景光的吸收強(qiáng)度是正確的，則需要存在某種超出當(dāng)前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理機(jī)制來(lái)解釋觀測(cè)結(jié)果。比如，作為愛因斯坦狹義相對(duì)論基礎(chǔ)的“洛倫茲對(duì)稱性”如果在高能區(qū)存在非常微小的破壞，這種效應(yīng)在伽馬光子24億光年的長(zhǎng)距離飛行中就會(huì)被放大為可觀測(cè)現(xiàn)象，從而能夠解釋“拉索”觀測(cè)結(jié)果。此外，軸子是標(biāo)準(zhǔn)模型之外的一種新粒子，如果高能光子與軸子存在振蕩，也可以解釋“拉索”觀測(cè)到的高能伽馬光子弱吸收現(xiàn)象。

結(jié)語(yǔ)

“拉索”是國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，是由5216個(gè)電磁粒子探測(cè)器和1188個(gè)繆子探測(cè)器組成的一平方公里地面簇射粒子探測(cè)器陣列、7.8萬(wàn)平方米水切倫科夫探測(cè)器陣列以及由18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成的復(fù)合陣列。“拉索”于2021年7月建成并開始高質(zhì)量穩(wěn)定運(yùn)行，是國(guó)際上領(lǐng)先的高能伽馬射線探測(cè)裝置，具有大視場(chǎng)和全天候的特點(diǎn)，每天可以監(jiān)視2/3的天區(qū)范圍，“拉索”預(yù)期將運(yùn)行20年以上，未來(lái)有望捕獲更多伽馬暴事件，在探索這一宇宙大爆炸之后最劇烈的天體爆炸現(xiàn)象上取得更多突破。

出品：科普中國(guó)

作者：陳松戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員

監(jiān)制：中科數(shù)創(chuàng)（北京）數(shù)字傳媒有限公司