約20億年前，一顆比太陽重20多倍的“超級太陽”——大質量恆星燃燒完其核聚變燃料，瞬間坍縮引發巨大的爆炸火球，發出了一個持續幾百秒的巨大“宇宙煙花”——伽馬射線暴。

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，於2022年10月9日21時20分50秒抵達高海拔宇宙線觀測站LHAASO（中文簡稱“拉索”）的視場范圍，6萬多個伽馬光子被“拉索”收集到。經過幾個月的分析，科學家們終於揭開了這場爆炸事件的面紗。

記者從中國科學院高能物理研究所（下稱中科院高能所）了解到，2023年6月9日，“拉索”對命名為GRB221009A的伽馬射線暴的最新觀測研究成果在線發表於《科學》雜志，題為《極亮伽馬射線暴221009A窄噴流的萬億電子伏特余輝》。該論文由拉索國際合作組完成。

名詞解釋

“拉索”

以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎設施，位於四川省稻城縣海子山，由中國科學院和四川省人民政府共建，由中國科學院成都分院與中國科學院高能物理研究所承建，2021年7月建成並全部投入運行，於2023年5月通過國家驗收。

“拉索”由三個陣列組成：5216個電磁粒子探測器與1188個繆子探測器聯合構成的1平方公裡的地面簇射粒子探測器陣列（KM2A）、3120個探測單元構成的78000平方米的水切倫科夫探測器陣列（WCDA）、18台望遠鏡構成的廣角切倫科夫望遠鏡陣列（WFCTA），可以寬波段、多手段地測量來自高能天體的伽馬射線和宇宙線，開展天體物理等方面的研究。

伽馬射線暴

伽馬射線暴（簡寫為伽馬暴）是宇宙大爆炸之后最劇烈的天體爆炸現象，是指來自天空中某一方向的伽馬射線突然增強的閃爍現象。伽馬暴短至千分之一秒，長則數小時。短時間的伽馬暴是由兩顆鄰近的致密星體並合產生，而長時間的伽馬暴是由巨大恆星（超級恆星）在燃料耗盡時塌縮爆炸產生。

伽馬暴產生於特別極端的物理環境，比如極高的磁場、極強的引力、極快的速度等等，伽馬暴由此成為天體物理甚至基礎物理領域青睞的極端物理實驗室。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論的正確性等重大問題。

“拉索”首次精確測量高能光子爆發的完整過程

2022年10月9日北京時間21時16分59.59秒，費米衛星首先探測到一個異常明亮的伽馬暴，根據國際慣例命名為GRB221009A，后續幾十個空間和地面探測器都對此暴發進行了觀測。

這個伽馬暴為長暴，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生了飽和。我國高海拔宇宙線觀測站拉索（LHAASO）、高能爆發探索者（HEBS）衛星和慧眼（Insight-HXMT）衛星同時探測到了這個伽馬暴，實現了跨越11個量級的寬能量范圍天地協同觀測。

迄今為止，已有上萬個伽馬暴被人類捕獲，而每一次對伽馬暴認知的突破幾乎都得益於一些特殊事例的觀測。GRB221009A是有記錄以來最亮的伽馬暴，科學家推斷如此亮的伽馬暴掃過地球的概率是萬年一次。而這一次人類是極其幸運的，因為GRB221009A恰好落在了“拉索”的最佳觀測范圍內。

“拉索”也不負眾望。“拉索”項目首席科學家、“拉索”國際合作組發言人、中國科學院高能物理研究所研究員曹臻告訴記者，“拉索”收集到的信號細節表明，探測到的光子來源於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，是初始階段的巨大的爆炸，表現為強烈的低能的伽馬射線輻射。接近於光速的爆炸物與周圍環境氣體碰撞則產生“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。”曹臻說，憑借對上萬個伽馬射線暴的觀測，科學家們已經建立了似乎完美的理論模型，甚至於對它深信不疑。“拉索”實現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，對理論模型的精確檢驗提供了實驗基礎。

值得一提的是，鑒於此次爆發千年不遇的稀缺性，這個觀測結果預期將在今后幾十甚至上百年內保持最佳。

“拉索”還將揭示更多謎團

“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、中國科學院高能物理研究所研究員姚志國說，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象超出了以往理論模型的預期，這中間究竟存在著什麼樣的機制？記者了解到，此次發表的觀測結果將會引發科學界對伽馬射線暴能量注入、光子吸收、粒子加速等機制的深入探討。

“拉索”不僅首次測量到高能光子流量的快速增強過程，還發現了此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。“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。”論文通訊作者之一、南京大學教授王祥玉說，由於這個亮度轉折發生時間極早，由此測出了噴流的張角也極小，僅0.8度。這是迄今知道的最小張角的噴流，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。

“正是由於觀測者碰巧正對噴流最明亮的核心，自然地解釋了為什麼這個伽馬射線暴是歷史上最亮的，也解釋了為什麼這樣的事件極其罕見。”論文通訊作者之一、中國科學技術大學教授戴子高表示。

“拉索”在最高能段的高統計量觀測，也將揭示更多的謎團。在這個事件持續的10分鐘內，“拉索”記錄到的光子數超過了過去幾年對“標准燭光”蟹狀星雲觀測積累。“若把選擇條件降到最低，光子數可以達到10萬！”論文通訊作者之一、中國科學院高能物理研究所研究員查敏說，對比同能區其它實驗裝置，甚至是專門設計來追蹤伽馬暴的設備，它們測到的光子數目僅在千個以下的水平，且都隻測到了爆炸過后60秒以晚的“余輝”。

“截至目前，本場爆炸事件還有其他的許多新發現，科學家們還在不懈地深耕‘拉索’的數據，力圖揭示更多的奧秘，敬請等待‘拉索’的后續數據分析成果。”曹臻對“拉索”下一階段成果給出了樂觀的預期。

成都商報-紅星新聞記者 彭祥萍

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