大陸科研人員監測到伽馬射線暴 《科學》線上發表
大陸科研人員監測到伽馬射線暴全過程《科學》線上發表。（人民網）
大陸科研人員監測到伽馬射線暴全過程《科學》線上發表。（人民網）
大陸《人民日報》用戶端報導，《科學》（Science）雜誌6月9日線上發表了大陸高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，中文簡稱「拉索」）對命名爲GRB221009A的伽馬射線暴的最新觀測研究成果：拉索首次完整記錄了大品質恆星死亡瞬間兆電子伏特伽馬射線爆發全過程，該爆炸事件萬年一遇，預期觀測結果將在百年內保持最佳，該成果由拉索國際合作組完成。
約20億年前，一顆比太陽重20多倍的「超級太陽」大品質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「宇宙煙火」伽馬射線暴。火球與星際物質碰撞產生的大量兆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日晚上21時20分50秒抵達「拉索」的視場範圍，6萬多個伽馬光子被「拉索」蒐集到。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。
伽馬射線暴（也簡寫爲伽馬暴）是宇宙大爆炸之後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緻密星體（黑洞或中子星）併合產生，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。
此次拉索蒐集到的訊號細節表明，探測到的光子來源於伽馬射線暴事件「主爆」之後的「後隨爆炸」。
拉索專案首席科學家、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說：「『主爆』也稱爲暫態輻射，是初始階段的巨大的爆炸，表現爲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『後隨爆炸』，也稱爲餘輝。拉索首次精確地觀測了『後隨爆炸』的完整過程，記錄了兆電子伏特伽馬射線流量增強和衰減的整個階段。」
憑藉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了。拉索實現了其它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。
GRB221009A伽馬暴是有記錄以來人類探測到的最亮的伽馬暴，科學家推斷如此亮的伽馬暴掃過地球的機率是萬年一次。「鑑於此次爆發萬年不遇的稀缺性，這個觀測結果預期將在今後幾十甚至上百年內將保持最佳。」 曹臻說。
「在後隨爆炸過程中，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。
按照以往理論模型的預期，後隨爆炸過程中高能光子流量的增長應該是一直比較緩慢平穩的。但這次拉索觀測到，在後隨爆炸的早期不到兩秒的時間裡，高能光子流量增強了100多倍。
姚志國說：早期如此快速的增強現象超出了以往理論模型的預期。究竟存在着什麼樣的機制？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。
此次拉索的觀測結果還表明，高能輻射在起爆之後不到10分鐘的某個時刻，亮度突然快速減弱了。
論文通訊作者之一，南京大學教授王祥玉說：「這可解釋爲爆炸後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，意味着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，自然地解釋了爲什麼這個伽馬射線暴是歷史上最亮的，也解釋了爲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。
此外，在這個伽馬射線暴事件持續的十分鐘內，拉索記錄到的光子數超過了過去幾年對「標準燭光」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準，且都只測到了爆炸過後60秒以晚的「餘輝」。
2022年10月9日北京時間21時16分59.59秒，美國的伽馬射線空間望遠鏡衛星首先探測到一個異常明亮的伽馬暴，根據國際慣例命名爲GRB221009A，後續幾十個空間和地面探測器都對此暴發進行了觀測。大陸高海拔宇宙線觀測站、高能爆發探索者衛星和慧眼衛星同時探測到了這個伽馬暴，實現了跨越11個量級的寬能量範圍天地協同觀測。
曹臻說：「這個伽馬暴爲長暴，其亮度比以往最亮伽馬暴還要高几十倍以上，過高的光子流量使得多個國際實驗的探測器發生了飽和。」
本次觀測成果主要由拉索的水切倫科夫探測器陣列提供。該陣列對伽馬射線的觀測能量範圍跨域兩個量級，在千億電子伏特到十兆電子伏特之間，且具有寬視場、全天候的特點，對伽馬暴這樣的突發天體現象的捕捉式觀測具有突出的優勢。
國際發佈伽馬暴GRB 221009A預警後，曹臻迅速組織多個團隊開展了資料分析與理論解釋工作。後續的天地聯合資料分析已經全面展開，更多觀測研究成果將會陸續發表。
本次的觀測結果意義重大。
北京師範大學天文系教授高鶴說：「拉索不負衆望，首次在TeV（注：兆電子伏特）能量處給出了伽馬暴完整的光變曲線與能譜，這一觀測結果大大增進了人類對伽馬暴輻射機制以及噴流結構等方面的理解。」
「截至當下，本場爆炸事件還有其它的許多新發現，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，敬請等待拉索的後續數據分析成果。」 曹臻樂觀預期拉索下一階段成果。