約20億年前,一顆比太陽(yáng)重20多倍的“超級(jí)太陽(yáng)”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(以下簡(jiǎn)稱“伽馬暴”)。火球與星際物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的大量萬(wàn)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21時(shí)20分50秒抵達(dá)“拉索”的視場(chǎng)范圍,6萬(wàn)多個(gè)伽馬光子被位于四川稻城海子山的高海拔宇宙線觀測(cè)站(LHAASO,中文簡(jiǎn)稱“拉索”)收集到。經(jīng)過幾個(gè)月的分析,科學(xué)家們終于揭開了這場(chǎng)爆炸事件的面紗。
今日,“拉索”對(duì)這一命名為GRB 221009A的伽馬射線暴(Gamma Ray Burst,GRB)的最新觀測(cè)研究成果在線發(fā)表于《科學(xué)》(Science)雜志,題為“極亮伽馬射線暴221009A窄噴流的萬(wàn)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(guó)際合作組完成。國(guó)際發(fā)布伽馬暴GRB 221009A預(yù)警后,LHAASO項(xiàng)目首席科學(xué)家、LHAASO國(guó)際合作組發(fā)言人、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻迅速組織多個(gè)團(tuán)隊(duì)開展了數(shù)據(jù)分析與理論解釋工作,包括本篇論文主要作者組成的團(tuán)隊(duì)。本篇論文的數(shù)據(jù)分析結(jié)果由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所給出,理論解釋由南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等提供,通訊作者為王祥玉、姚志國(guó)、戴子高、查敏、黃勇、鄭見合。
首次精確測(cè)量高能光子爆發(fā)的完整過程
據(jù)介紹,“拉索”收集到的信號(hào)細(xì)節(jié)表明,探測(cè)到的光子來(lái)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?!啊鳌状尉_地觀測(cè)了‘后隨爆炸’的完整過程,記錄了萬(wàn)億電子伏特伽馬射線流量增強(qiáng)和衰減的整個(gè)階段?!辈苷檎f(shuō)。
憑借對(duì)上萬(wàn)個(gè)伽馬暴的觀測(cè),科學(xué)家們已經(jīng)建立了似乎完美的理論模型?!袄鳌睂?shí)現(xiàn)了其它實(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(cè),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(cè)結(jié)果預(yù)期將在今后幾十甚至上百年內(nèi)保持最佳。
“在后隨爆炸過程中,‘拉索’首次探測(cè)到光子流量的極速增強(qiáng)?!?論文通訊作者之一、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員姚志國(guó)說(shuō)。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(zhǎng)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。究竟存在著什么樣的機(jī)制?此次發(fā)表的觀測(cè)結(jié)果將會(huì)引發(fā)科學(xué)界對(duì)伽馬暴能量注入、光子吸收、粒子加速等機(jī)制的深入探討。
審稿專家評(píng)價(jià):LHAASO合作組在TeV(萬(wàn)億電子伏特)能區(qū)對(duì)伽馬暴最早余輝進(jìn)行了非常重要的、突破性的觀測(cè)。這是一項(xiàng)非凡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,值得迅速發(fā)表,并非常適合在此期刊上發(fā)表——它有可能成為該領(lǐng)域中引用最多的論文之一。通過這個(gè)“千年一遇”的事件為伽馬暴提供了一個(gè)全新的視角。
發(fā)現(xiàn)此伽馬暴歷史最亮的秘密
據(jù)介紹,2022年10月9日北京時(shí)間21時(shí)16分59.59秒,費(fèi)米衛(wèi)星(Fermi spacecraft)首先探測(cè)到一個(gè)異常明亮的伽馬暴,根據(jù)國(guó)際慣例命名為GRB 221009A,后續(xù)幾十個(gè)空間和地面探測(cè)器都對(duì)此暴發(fā)進(jìn)行了觀測(cè)。這個(gè)伽馬暴為長(zhǎng)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(guó)際實(shí)驗(yàn)的探測(cè)器發(fā)生了飽和。我國(guó)高海拔宇宙線觀測(cè)站(LHAASO)、高能爆發(fā)探索者(HEBS)衛(wèi)星和慧眼(Insight-HXMT)衛(wèi)星同時(shí)探測(cè)到了這個(gè)伽馬暴,實(shí)現(xiàn)了跨越11個(gè)量級(jí)的寬能量范圍天地協(xié)同觀測(cè)。
“拉索”觀測(cè)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?!斑@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?!?論文通訊作者之一、南京大學(xué)教授王祥玉說(shuō)。由于這個(gè)亮度轉(zhuǎn)折發(fā)生時(shí)間極早,由此測(cè)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(cè)到的實(shí)際上是一個(gè)典型內(nèi)亮外暗噴流最明亮的核心?!罢怯捎谟^測(cè)者碰巧正對(duì)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?!?論文通訊作者之一、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授戴子高表示。
增進(jìn)人類對(duì)伽馬暴輻射機(jī)制的理解,引發(fā)全球關(guān)注
迄今為止已有上萬(wàn)個(gè)伽馬暴被人類捕獲,而每一次對(duì)伽馬暴認(rèn)知的突破幾乎都得益于一些特殊事例的觀測(cè)。2022年10月9日,一個(gè)有記錄以來(lái)最亮的伽馬暴被探測(cè)到,科學(xué)家推斷如此亮的伽馬暴掃過地球的概率是萬(wàn)年一次。而這一次人類是極其幸運(yùn)的,因?yàn)镚RB 221009A恰好落在了“拉索”的最佳觀測(cè)視場(chǎng)內(nèi)?!袄鳌辈回?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(cè)結(jié)果大大增進(jìn)了人類對(duì)伽馬暴輻射機(jī)制以及噴流結(jié)構(gòu)等方面的理解。”
“拉索”的這一發(fā)現(xiàn)在全球天體物理學(xué)界引發(fā)了極大的關(guān)注,美國(guó)賓州州立大學(xué)講座教授、美國(guó)藝術(shù)與科學(xué)院院士、伽馬暴火球模型奠基人Peter Meszaros評(píng)價(jià):“這一發(fā)現(xiàn),得益于‘拉索’巨大的觀測(cè)面積和先進(jìn)的探測(cè)器技術(shù),這是首次探測(cè)到TeV能區(qū)的早期余輝光變曲線,它們由外激波的同步輻射-自康普頓成分形成。此外,光變曲線顯示出了減速特征,給出了值約為440的平均洛倫茲因子的測(cè)量結(jié)果。它還觀測(cè)到了光變曲線的截?cái)喱F(xiàn)象,由此可以計(jì)算出噴流張角約為0.8度,使得噴流總能量減少至約1051erg(爾格),與其他伽馬暴一致?!?o:p style="box-sizing: border-box">
北京師范大學(xué)天文系高鶴教授評(píng)價(jià):“伽馬暴是宇宙中最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象,其幾秒鐘輻射的能量相當(dāng)于太陽(yáng)100億年輻射能量的總和。經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的研究,人們認(rèn)識(shí)到伽馬暴產(chǎn)生于特別極端的物理環(huán)境,比如極高的磁場(chǎng)、極強(qiáng)的引力,極快的速度等等,伽馬暴由此成為天體物理甚至基礎(chǔ)物理領(lǐng)域青睞的極端物理實(shí)驗(yàn)室。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(duì)論的正確性等重大問題,而在這之前必須對(duì)伽馬暴自身的物理起源具備深刻的了解?!?/p>
“拉索”測(cè)量得到的伽馬射線暴GRB 221009A在5個(gè)時(shí)間段的本征譜與觀測(cè)譜,能量范圍約在2千億到7萬(wàn)億電子伏特之間。
“拉索”以超過250倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的高顯著水平觀測(cè)到了伽馬射線暴GRB 221009A的爆發(fā)。
將揭示更多謎團(tuán)
在這個(gè)事件持續(xù)的十分鐘內(nèi),“拉索”記錄到的光子數(shù)超過了過去幾年對(duì)“標(biāo)準(zhǔn)燭光”蟹狀星云觀測(cè)積累?!叭舭堰x擇條件降到最低,光子數(shù)可以達(dá)到10萬(wàn)!”論文通訊作者之一、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員查敏說(shuō)。對(duì)比同能區(qū)其它實(shí)驗(yàn)裝置,甚至是專門設(shè)計(jì)來(lái)追蹤伽馬暴的設(shè)備,它們測(cè)到的光子數(shù)目?jī)H在千個(gè)以下的水平,且都只測(cè)到了爆炸過后60秒以晚的“余輝”?!敖刂聊壳?,本場(chǎng)爆炸事件還有其它的許多新發(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(qǐng)等待‘拉索’的后續(xù)數(shù)據(jù)分析成果。” 曹臻對(duì)“拉索”下一階段成果給出了樂觀的預(yù)期。
記者了解到,本次觀測(cè)成果主要由“拉索”的水切倫科夫探測(cè)器陣列提供。該探測(cè)器利用36萬(wàn)噸的純凈水作為介質(zhì),通過水底放置的6240支不同尺寸的光敏探頭,測(cè)量伽馬射線或宇宙線在大氣層中運(yùn)動(dòng)與作用過程的次級(jí)產(chǎn)物,如低能伽馬光子、正負(fù)電子等,它們會(huì)在水中產(chǎn)生切倫科夫光信號(hào)。該陣列對(duì)伽馬射線的觀測(cè)能量范圍跨域兩個(gè)量級(jí),在千億電子伏特到十萬(wàn)億電子伏特之間,且具有寬視場(chǎng)、全天候的特點(diǎn),對(duì)伽馬暴這樣的突發(fā)天體現(xiàn)象的捕捉式觀測(cè)具有突出的優(yōu)勢(shì)。
高海拔宇宙線觀測(cè)站的構(gòu)成與布局
水切倫科夫探測(cè)器陣列示意圖
引自四川科技報(bào)2023.6.9版 原地址:http://kjb.sckjw.com.cn/m/43c4be901f894a8c87f059e59440e4bb