大約20億年前,一顆比太陽重20多倍的“超級太陽”在死亡瞬間坍縮,引發(fā)巨大的爆炸火球,釋放出一朵持續(xù)幾百秒的巨大“宇宙煙花”——伽馬射線暴?;鹎蚺c星際物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的大量萬億電子伏特(TeV)高能伽馬光子穿過茫茫宇宙,徑直飛向地球。
2022年10月9日21時20分50秒,這群光子抵達(dá)位于四川稻城海子山上的高海拔宇宙線觀測站(LHAASO,簡稱“拉索”)的視場范圍?!袄鳌笔占搅?萬多個伽馬光子。就在那一晚,我國極目空間望遠(yuǎn)鏡和慧眼衛(wèi)星與“拉索”一起同時探測到了這一“最亮伽馬暴”(詳見本報3月29日3版相關(guān)報道)。這也是我國首次實現(xiàn)對伽馬射線暴的天地多手段聯(lián)合觀測。
經(jīng)過數(shù)月分析,科學(xué)家們終于揭開了這場“萬年一遇”伽馬暴事件的神秘面紗。
5月9日凌晨,國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表了這一由“拉索”國際合作組完成的有關(guān)迄今最亮伽馬射線暴GRB 221009A的研究成果。
▲GRB 221009A伽馬暴事件被“拉索”完整記錄到(藝術(shù)示意圖)
一戰(zhàn)“封神” ,“拉索”創(chuàng)下多個“國際首次”
今年5月初,國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“拉索”通過國家驗收時,項目首席科學(xué)家、“拉索”國際合作組發(fā)言人、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻就預(yù)告“即將發(fā)表一項重要發(fā)現(xiàn)”,而它可能會改變?nèi)祟惸壳皩Σ糠痔祗w現(xiàn)象的理解。
今天,頂著多個“國際首次”的光環(huán),這項發(fā)現(xiàn)終于面世。
——這是人類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(xì)節(jié)表明,探測到的光子來源于“主爆”之后的“后隨爆炸”。伽馬射線暴事件的主爆,也稱為瞬時輻射,是初始階段的巨大爆炸,表現(xiàn)為強(qiáng)烈的低能伽馬射線輻射。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)和衰減的整個階段?!辈苷檎f,在這次觀測中,“拉索”是全球唯一沒有被“亮瞎”且記錄下完整過程的設(shè)備。
▲“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。
曾經(jīng),憑借對上萬個伽馬射線暴的觀測,科學(xué)家已經(jīng)建立了近乎完美、令人深信不疑的理論模型,而“拉索”這次“教科書式”的完整觀測則對理論模型提出了新的挑戰(zhàn)。鑒于此次事件的稀缺性,該結(jié)果將在今后上百年內(nèi)保持“最佳紀(jì)錄”。
——“拉索”在國際上首次測量到高能光子流量的快速增強(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)?!闭撐耐ㄓ嵶髡咧?、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員姚志國說,“在不到兩秒的時間內(nèi),光子流量增強(qiáng)了100多倍”。
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,而之后的緩慢增長行為卻符合后隨爆炸的預(yù)期特征。這其中究竟存在著什么樣的機(jī)制?這將引發(fā)科學(xué)界對伽馬射線暴能量注入、光子吸收、粒子加速等機(jī)制的深入探討。
——“拉索”率先發(fā)現(xiàn)了此次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呈噴流狀結(jié)構(gòu),當(dāng)輻射張角擴(kuò)展到了噴流的邊緣時造成亮度快速下降?!闭撐耐ㄓ嵶髡咧?,南京大學(xué)教授王祥玉說,由于這個亮度轉(zhuǎn)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——這是迄今已知的最小張角噴流,意味著觀測到的實際上是一個內(nèi)亮外暗噴流的最明亮核心。
▲“拉索”率先發(fā)現(xiàn)了此次伽馬射線暴歷史最亮的秘密(藝術(shù)示意圖)
萬年一次,幸運(yùn)得益于“拉索”的靈敏和大視野
在這次伽馬暴事件持續(xù)的10分鐘內(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”蟹狀星云的觀測積累。論文通訊作者之一、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員查敏說,若把選擇條件降到最低,光子數(shù)可達(dá)10萬個。對比同能區(qū)其它實驗裝置,甚至是用來專門追蹤伽馬暴的設(shè)備,它們測到的光子數(shù)僅在千個以下水平,且都只測到了爆炸過后60秒以外的“余輝”。
▲“拉索”航拍圖
美國藝術(shù)與科學(xué)院院士、賓州州立大學(xué)講座教授、伽馬射線暴火球模型奠基人彼得·梅斯扎羅斯認(rèn)為,首次探測到TeV能區(qū)的早期余輝光變曲線得益于“拉索”巨大的觀測面積和先進(jìn)的探測器技術(shù)。
北京師范大學(xué)天文系高鶴教授則表示,人們期望利用伽馬暴研究宇宙的演化歷史、重元素的起源以及相對論的正確性等重大問題,在此之前必須深刻了解伽馬暴自身的物理起源。他說:“如此亮的伽馬暴掃過地球的概率是萬年一次,而這一次人類極其幸運(yùn),因為它恰好落在了‘拉索’的最佳觀測范圍內(nèi)?!鳌回?fù)眾望,首次在TeV能量處給出了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)了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?!?nbsp;
《科學(xué)》審稿專家們認(rèn)為,這是一項非凡的實驗結(jié)果,值得迅速發(fā)表——它為理解伽馬射線暴提供了一個全新視角,有可能成為該領(lǐng)域引用最多的論文之一。
曹臻透露,科學(xué)家們還在不懈深耕“拉索”收集到的數(shù)據(jù),努力揭示其中的更多奧秘。
引自文匯報2023.6.9版 原地址:http://wenhui.whb.cn/zhuzhanapp/kjwz/20230609/525115.html?timestamp=1686268707765