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?,瞬間坍縮引發(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。
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(guò)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)高海拔宇宙線觀測(cè)站(LHAASO,中文簡(jiǎn)稱(chēng)“拉索”)的視場(chǎng)范圍,6萬(wàn)多個(gè)伽馬光子被“拉索”收集到。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的分析,科學(xué)家們終于揭開(kāi)了這場(chǎng)爆炸事件的面紗。
記者從中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所獲悉,6月9日,“拉索”對(duì)命名為GRB221009A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。

“拉索”探測(cè)伽馬射線暴(GRB221009A)藝術(shù)圖。中國(guó)科學(xué)院供圖
“拉索”“慧眼”精確探測(cè)最亮伽馬暴
伽馬射線暴(伽馬暴)是宇宙大爆炸之后最劇烈的天體爆炸現(xiàn)象,是指來(lái)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(zhǎng)則數(shù)小時(shí),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。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(zhǎng)時(shí)間的伽馬暴是由巨大恒星(超級(jí)恒星)在燃料耗盡時(shí)塌縮爆炸產(chǎn)生。
2022年10月9日,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GRB221009A,后續(xù)幾十個(gè)空間和地面探測(cè)器都對(duì)此爆發(fā)進(jìn)行了觀測(cè)。這個(gè)伽馬暴的亮度比以往最亮伽馬暴還要高幾十倍以上,過(guò)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)。
首次精確觀測(cè)“后隨爆炸”完整過(guò)程
高海拔宇宙線觀測(cè)站是以宇宙線觀測(cè)研究為核心的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,此次觀測(cè)成果主要由其中的水切倫科夫探測(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(guò)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(guò)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)。
伽馬射線暴事件的“主爆”,也稱(chēng)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?chē)h(huán)境氣體碰撞則產(chǎn)生“后隨爆炸”,也稱(chēng)為余輝。
此次,“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”?!啊鳌状尉_地觀測(cè)了‘后隨爆炸’的完整過(guò)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?!备吆0斡钪婢€觀測(cè)站項(xiàng)目首席科學(xué)家、高海拔宇宙線觀測(cè)站國(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說(shuō)。
“在后隨爆炸過(guò)程中,‘拉索’首次探測(cè)到光子流量的極速增強(qiáng)?!闭撐耐ㄓ嵶髡咧?、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。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”發(fā)現(xiàn)此伽馬射線暴歷史最亮秘密
“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)亮外暗噴流的最明亮的核心?!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)伽馬射線暴是歷史上最亮的,也解釋了為什么這樣的事件極其罕見(jiàn)?!闭撐耐ㄓ嵶髡咧弧⒅袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授戴子高表示。
北京師范大學(xué)天文系教授高鶴在評(píng)價(jià)該成果時(shí)表示,迄今為止已有上萬(wàn)個(gè)伽馬暴被人類(lèi)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,有記錄以來(lái)最亮的伽馬暴(GRB221009A)被探測(cè)到,科學(xué)家推斷如此亮的伽馬暴掃過(guò)地球的概率是萬(wàn)年一次。而這一次人類(lèi)是極其幸運(yùn)的,因?yàn)镚RB221009A恰好落在了“拉索”的最佳觀測(cè)范圍內(nèi)?!袄鳌辈回?fù)眾望,首次在TeV(1TeV=1萬(wàn)億電子伏特)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(lèi)對(duì)伽馬暴輻射機(jī)制以及噴流結(jié)構(gòu)等方面的理解。
引自新京報(bào)2023.6.9版原地址:https://m.bjnews.com.cn/detail/168627789014820.html