這場“宇宙煙花”火球與星際物質碰撞產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”國際合作組的科學家們終于揭開這場大質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”完整全過程紀錄片。

由“拉索”國際合作組完成、創(chuàng)下多項世界紀錄的這一“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術期刊《科學》(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”項目首席科學家、“拉索”國際合作組發(fā)言人、中國科學院高能物理研究所(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。“鑒于此次爆發(fā)千年不遇的稀缺性，這個觀測結果預期將在今后幾十甚至上百年內將保持最佳。”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期，這究竟存在著什么樣的機制？“拉索”此次發(fā)表的觀測結果，將會引發(fā)科學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、南京大學教授王祥玉認為，“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構，當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亮外暗噴流的最明亮的核心。

論文通訊作者之一、中國科學技術大學教授戴子高表示，“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

美國藝術與科學院院士、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，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，相關計算結果與其他伽馬射線暴一致。

北京師范大學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。“拉索”不負眾望，首次在TeV能區(qū)給出伽馬暴完整的光變曲線與能譜，這一觀測結果大大增進人類對伽馬暴輻射機制以及噴流結構等方面的理解。

《科學》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，“拉索”記錄到的光子數(shù)超過了過去幾年對“標準燭光”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，甚至是專門設計來追蹤伽馬暴的設備，它們測到的光子數(shù)目僅在千個以下的水平，且都只測到大質量恒星爆炸過后60秒以晚的“余輝”。

“截至當下，本次大質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)