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，于北京時間2022年10月9日21時20分50秒，抵達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。

首次精確測量高能光子爆發(fā)完整過程

“拉索”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(中科院高能所)研究員曹臻介紹說，“拉索”收集到的信號細節(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”，也稱為瞬時輻射，是初始階段的巨大的爆炸，表現(xiàn)為強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和衰減的整個階段”。

憑借對上萬個伽馬暴的觀測，科學(xué)家們已經(jīng)建立被譽為完美的、可深信不疑的理論模型。“拉索”實現(xiàn)了其他實驗沒有達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提供了實驗基礎(chǔ)。“鑒于此次爆發(fā)千年不遇的稀缺性，這個觀測結(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。

首次測量到高能光子流量快速增強過程

“在‘后隨爆炸’過程中，‘拉索’首次探測到光子流量的極速增強。”論文通訊作者之一、中科院高能所研究員姚志國指出，不到兩秒的時間內(nèi)流量增強了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制？“拉索”此次發(fā)表的觀測結(jié)果，將會引發(fā)科學(xué)界對伽馬暴能量注入、光子吸收、粒子加速等機制的深入探討。

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分鐘的某個時刻，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)輻射張角擴展到了噴流的邊緣時造成亮度快速下降”。

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。這是迄今所知最小張角的噴流，意味著觀測到的實際上是一個典型內(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”。

將為伽馬暴研究提供一個全新視角

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)教授評價稱，得益于“拉索”巨大的觀測面積和先進的探測器技術(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斷現(xiàn)象，相關(guān)計算結(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)果大大增進人類對伽馬暴輻射機制以及噴流結(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”進行非常重要的、突破性的觀測，這是一項非凡的實驗結(jié)果，值得迅速發(fā)表。通過這個“千年一遇”的事件，將為伽馬暴研究提供一個全新的視角。

最高能段高統(tǒng)計量觀測將揭開更多謎團

論文通訊作者之一、中科院高能所研究員查敏說，在這個“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)可以達到10萬。對比同能區(qū)其他實驗裝置，甚至是專門設(shè)計來追蹤伽馬暴的設(shè)備，它們測到的光子數(shù)目僅在千個以下的水平，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”項目團隊科普介紹說，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的閃爍現(xiàn)象。伽馬暴短至千分之一秒，長則數(shù)小時。短時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，而長時間的伽馬暴是由巨大恒星(超級恒星)在燃料耗盡時塌縮爆炸產(chǎn)生。

北京時間2022年10月9日21時16分59.59秒，費米衛(wèi)星(Fermi)收到預(yù)警首先探測到一個異常明亮的伽馬暴，根據(jù)國際慣例命名為GRB221009A，后續(xù)國際上幾十個空間和地面探測器都對此伽馬暴進行觀測。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國際實驗的探測器發(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)同時探測到GRB221009A這個伽馬暴，并實現(xiàn)跨越11個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)