20億年前“宇宙煙花”光子飛臨地球，“拉索”完整記錄“萬年一遇”伽馬暴全過程

大約 20 億年前，一顆比太陽重 20 多倍的 " 超級太陽 " 在死亡瞬間坍縮，引發巨大的爆炸火球，釋放出一朵持續幾百秒的巨大 " 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（TeV）高能伽馬光子穿過茫茫宇宙，徑直飛向地球。

2022 年 10 月 9 日 21 時 20 分 50 秒，這群光子抵達位于四川稻城海子山上的高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，簡稱 " 拉索 "）的視場范圍。" 拉索 " 收集到了 6 萬多個伽馬光子。就在那一晚，我國極目空間望遠鏡和慧眼衛星與 " 拉索 " 一起同時探測到了這一 " 最亮伽馬暴 "（詳見本報 3 月 29 日 3 版相關報道）。這也是我國首次實現對伽馬射線暴的天地多手段聯合觀測。

經過數月分析，科學家們終于揭開了這場 " 萬年一遇 " 伽馬暴事件的神秘面紗。

5 月 9 日凌晨，國際著名學術期刊《科學》發表了這一由 " 拉索 " 國際合作組完成的有關迄今最亮伽馬射線暴 GRB 221009A 的研究成果。

▲ GRB 221009A 伽馬暴事件被 " 拉索 " 完整記錄到（藝術示意圖）

一戰 " 封神 " ，" 拉索 " 創下多個 " 國際首次 "

今年 5 月初，國家重大科技基礎設施 " 拉索 " 通過國家驗收時，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就預告 " 即將發表一項重要發現 "，而它可能會改變人類目前對部分天體現象的理解。

今天，頂著多個 " 國際首次 " 的光環，這項發現終于面世。

——這是人類首次精確測量高能光子爆發的完整過程。

" 拉索 " 收集到的信號細節表明，探測到的光子來源于 " 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，是初始階段的巨大爆炸，表現為強烈的低能伽馬射線輻射。接近于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，在這次觀測中，" 拉索 " 是全球唯一沒有被 " 亮瞎 " 且記錄下完整過程的設備。

▲ " 拉索 " 觀測到的 3 千億到 5 萬億電子伏特能量范圍的 GRB221009A 余輝輻射的光變過程與能譜指數演化，以及函數擬合。" 拉索 " 首次實現了伽馬射線暴千億電子伏特以上余輝輻射過程的完整觀測，發現了余輝輻射過程的快速增長現象，發現了伽馬射線暴 GRB221009A 余輝輻射過程的快速衰減現象。

曾經，憑借對上萬個伽馬射線暴的觀測，科學家已經建立了近乎完美、令人深信不疑的理論模型，而 " 拉索 " 這次 " 教科書式 " 的完整觀測則對理論模型提出了新的挑戰。鑒于此次事件的稀缺性，該結果將在今后上百年內保持 " 最佳紀錄 "。

—— " 拉索 " 在國際上首次測量到高能光子流量的快速增強過程。

" 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、中國科學院高能物理研究所研究員姚志國說，" 在不到兩秒的時間內，光子流量增強了 100 多倍 "。

早期如此快速的增強現象超出了以往理論模型的預期，而之后的緩慢增長行為卻符合后隨爆炸的預期特征。這其中究竟存在著什么樣的機制？這將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 " 率先發現了此次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呈噴流狀結構，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，由于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——這是迄今已知的最小張角噴流，意味著觀測到的實際上是一個內亮外暗噴流的最明亮核心。

▲ " 拉索 " 率先發現了此次伽馬射線暴歷史最亮的秘密（藝術示意圖）

萬年一次，幸運得益于 " 拉索 " 的靈敏和大視野

在這次伽馬暴事件持續的 10 分鐘內，" 拉索 " 記錄到的光子數超過了過去幾年對 " 標準燭光 " 蟹狀星云的觀測積累。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，若把選擇條件降到最低，光子數可達 10 萬個。對比同能區其它實驗裝置，甚至是用來專門追蹤伽馬暴的設備，它們測到的光子數僅在千個以下水平，且都只測到了爆炸過后 60 秒以外的 " 余輝 "。

▲ " 拉索 " 航拍圖

美國藝術與科學院院士、賓州州立大學講座教授、伽馬射線暴火球模型奠基人彼得 梅斯扎羅斯認為，首次探測到 TeV 能區的早期余輝光變曲線得益于 " 拉索 " 巨大的觀測面積和先進的探測器技術。

北京師范大學天文系高鶴教授則表示，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，在此之前必須深刻了解伽馬暴自身的物理起源。他說：" 如此亮的伽馬暴掃過地球的概率是萬年一次，而這一次人類極其幸運，因為它恰好落在了‘拉索’的最佳觀測范圍內。‘拉索’不負眾望，首次在 TeV 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。"

《科學》審稿專家們認為，這是一項非凡的實驗結果，值得迅速發表——它為理解伽馬射線暴提供了一個全新視角，有可能成為該領域引用最多的論文之一。

曹臻透露，科學家們還在不懈深耕 " 拉索 " 收集到的數據，努力揭示其中的更多奧秘。

作者：許琦敏

圖片：中科院高能所提供

責任編輯：任荃

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