“拉索”以超過250倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的高顯著水平觀測到了伽馬射線暴GRB 221009A的爆發(fā)。　中科院高能所 供圖

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中新網(wǎng)北京6月9日電 (記者 孫自法)距離地球約24億光年的宇宙深處，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)剂希查g坍縮引發(fā)巨大的爆炸火球，發(fā)出了一個(gè)持續(xù)幾百秒的巨大“宇宙煙花”——伽馬射線暴(GRB，也簡稱伽馬暴)。

這場“宇宙煙花”火球與星際物質(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，于北京時(shí)間2022年10月9日21時(shí)20分50秒，抵達(dá)中國高海拔宇宙線觀測站(英文縮寫LHAASO，中文昵稱“拉索”)的視場范圍，6萬多個(gè)伽馬光子被“拉索”收集到。經(jīng)過數(shù)月持續(xù)分析研究，“拉索”國際合作組的科學(xué)家們終于揭開這場大質(zhì)量恒星爆炸事件的神秘面紗，在世界上首次制作完成“宇宙煙花”完整全過程紀(jì)錄片。

由“拉索”國際合作組完成、創(chuàng)下多項(xiàng)世界紀(jì)錄的這一“宇宙煙花”成果論文，以“極亮伽馬射線暴221009A窄噴流的萬億電子伏特余輝”為題，北京時(shí)間6月9日凌晨在國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)上線發(fā)表。

“拉索”測量得到的GRB221009A在5個(gè)時(shí)間段的本征譜與觀測譜，約在2千億到7萬億電子伏特之間。　中科院高能所 供圖

首次精確測量高能光子爆發(fā)完整過程

“拉索”項(xiàng)目首席科學(xué)家、“拉索”國際合作組發(fā)言人、中國科學(xué)院高能物理研究所(中科院高能所)研究員曹臻介紹說，“拉索”收集到的信號(hào)細(xì)節(jié)表明，探測到的光子來源于主爆之后的“后隨爆炸”。伽馬暴事件的“主爆”，也稱為瞬時(shí)輻射，是初始階段的巨大的爆炸，表現(xiàn)為強(qiáng)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(qiáng)和衰減的整個(gè)階段”。

憑借對上萬個(gè)伽馬暴的觀測，科學(xué)家們已經(jīng)建立被譽(yù)為完美的、可深信不疑的理論模型。“拉索”實(shí)現(xiàn)了其他實(shí)驗(yàn)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，也為理論模型的精確檢驗(yàn)提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。“鑒于此次爆發(fā)千年不遇的稀缺性，這個(gè)觀測結(jié)果預(yù)期將在今后幾十甚至上百年內(nèi)將保持最佳。”曹臻說。

“拉索”觀測到的3千億到5萬億電子伏特范圍的GRB221009A余輝輻射的光變過程與能譜指數(shù)演化等。　中科院高能所 供圖

首次測量到高能光子流量快速增強(qiáng)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(qiáng)。”論文通訊作者之一、中科院高能所研究員姚志國指出，不到兩秒的時(shí)間內(nèi)流量增強(qiáng)了100多倍，之后的緩慢增長行為卻符合后隨爆炸的預(yù)期特征。

早期如此快速的增強(qiáng)現(xiàn)象超出了以往理論模型的預(yù)期，這究竟存在著什么樣的機(jī)制？“拉索”此次發(fā)表的觀測結(jié)果，將會(huì)引發(fā)科學(xué)界對伽馬暴能量注入、光子吸收、粒子加速等機(jī)制的深入探討。

“拉索”的水切倫科夫探測器陣列示意圖。　中科院高能所 供圖

發(fā)現(xiàn)221009A伽馬暴歷史最亮秘密

論文通訊作者之一、南京大學(xué)教授王祥玉認(rèn)為，“拉索”觀測表明，高能輻射在起爆之后不到10分鐘的某個(gè)時(shí)刻，亮度突然快速減弱了。“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(kuò)展到了噴流的邊緣時(shí)造成亮度快速下降”。

由于這個(gè)亮度轉(zhuǎn)折發(fā)生時(shí)間極早，由此測出了噴流的張角也極小，僅0.8度。這是迄今所知最小張角的噴流，意味著觀測到的實(shí)際上是一個(gè)典型內(nèi)亮外暗噴流的最明亮的核心。

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，“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(gè)伽馬暴是歷史上最亮的，也解釋了為什么這樣的事件極其罕見”。

高海拔宇宙線觀測站(“拉索”)的構(gòu)成與布局示意圖。　中科院高能所 供圖

將為伽馬暴研究提供一個(gè)全新視角

美國藝術(shù)與科學(xué)院院士、伽馬射線暴火球模型奠基人彼得·梅斯扎羅斯(Peter Meszaros)教授評價(jià)稱，得益于“拉索”巨大的觀測面積和先進(jìn)的探測器技術(shù)，這是首次探測到萬億電子伏特(TeV)能區(qū)的早期余輝光變曲線，光變曲線顯示出減速特征，還觀測到光變曲線的截?cái)喱F(xiàn)象，相關(guān)計(jì)算結(jié)果與其他伽馬射線暴一致。

北京師范大學(xué)天文系高鶴教授指出，GRB221009A是有記錄以來最亮的伽馬射線暴，科學(xué)家推斷其被地球探測到的概率是萬年一次，而這一次極其幸運(yùn)地恰好落在“拉索”的最佳觀測范圍內(nèi)。“拉索”不負(fù)眾望，首次在TeV能區(qū)給出伽馬暴完整的光變曲線與能譜，這一觀測結(jié)果大大增進(jìn)人類對伽馬暴輻射機(jī)制以及噴流結(jié)構(gòu)等方面的理解。

《科學(xué)》審稿專家表示，“拉索”國際合作組在TeV能區(qū)對伽馬射線暴最早“余輝”進(jìn)行非常重要的、突破性的觀測，這是一項(xiàng)非凡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，值得迅速發(fā)表。通過這個(gè)“千年一遇”的事件，將為伽馬暴研究提供一個(gè)全新的視角。

航拍大科學(xué)裝置“拉索”全景。　中科院高能所 供圖

最高能段高統(tǒng)計(jì)量觀測將揭開更多謎團(tuán)

論文通訊作者之一、中科院高能所研究員查敏說，在這個(gè)“宇宙煙花”持續(xù)的幾百秒內(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。對比同能區(qū)其他實(shí)驗(yàn)裝置，甚至是專門設(shè)計(jì)來追蹤伽馬暴的設(shè)備，它們測到的光子數(shù)目僅在千個(gè)以下的水平，且都只測到大質(zhì)量恒星爆炸過后60秒以晚的“余輝”。

“截至當(dāng)下，本次大質(zhì)量恒星爆炸事件引發(fā)的‘宇宙煙花’還有其他的許多新發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家們還在不懈地深耕‘拉索’的數(shù)據(jù)，力圖揭示更多的奧秘，敬請等待‘拉索’的后續(xù)數(shù)據(jù)分析成果。”曹臻對“拉索”下一階段成果給出樂觀預(yù)期。

中國天地聯(lián)合觀測和數(shù)據(jù)分析全面展開

中科院高能所“拉索”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)科普介紹說，伽馬暴是宇宙大爆炸之后最劇烈的天體爆炸現(xiàn)象，指來自天空中某一方向的伽馬射線突然增強(qiáng)的閃爍現(xiàn)象。伽馬暴短至千分之一秒，長則數(shù)小時(shí)。短時(shí)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(shí)間的伽馬暴是由巨大恒星(超級恒星)在燃料耗盡時(shí)塌縮爆炸產(chǎn)生。

北京時(shí)間2022年10月9日21時(shí)16分59.59秒，費(fèi)米衛(wèi)星(Fermi)收到預(yù)警首先探測到一個(gè)異常明亮的伽馬暴，根據(jù)國際慣例命名為GRB221009A，后續(xù)國際上幾十個(gè)空間和地面探測器都對此伽馬暴進(jìn)行觀測。該伽馬暴為長暴，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(gè)國際實(shí)驗(yàn)的探測器發(fā)生飽和而“爆表”。

中國“拉索”、“高能爆發(fā)探索者”衛(wèi)星(HEBS)和“慧眼”衛(wèi)星(Insight-HXMT)同時(shí)探測到GRB221009A這個(gè)伽馬暴，并實(shí)現(xiàn)跨越11個(gè)量級的寬能量范圍天地協(xié)同觀測。此前，中國衛(wèi)星探測該伽馬暴的預(yù)印本成果已經(jīng)發(fā)布。中科院高能所透露，中國后續(xù)的天地聯(lián)合數(shù)據(jù)分析已經(jīng)全面展開，更多觀測研究成果也將陸續(xù)發(fā)表。(完)