完整記錄迄今最亮伽馬暴高能輻射全過(guò)程
約20億年前，一顆比太陽(yáng)重20多倍的“超級(jí)太陽(yáng)”大質(zhì)量恒星，燃燒完其核聚變?nèi)剂希查g坍縮引發(fā)巨大的爆炸火球，發(fā)出了一個(gè)持續(xù)幾百秒的巨大“宇宙煙花”伽馬射線暴。火球與星際物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的大量萬(wàn)億電子伏特高能伽馬光子穿過(guò)茫茫宇宙，徑直飛向地球。2022年10月9日21時(shí)20分50秒，這些伽馬光子抵達(dá)“拉索”的視場(chǎng)范圍，其中，6萬(wàn)多個(gè)伽馬光子被“拉索”收集到。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的分析，科學(xué)家們終于揭開(kāi)了這場(chǎng)爆炸事件的面紗。
伽馬射線暴(也簡(jiǎn)寫(xiě)為“伽馬暴”)是宇宙大爆炸之后最劇烈的天體爆炸現(xiàn)象，是指來(lái)自天空中某一方向的伽馬射線突然增強(qiáng)的閃爍現(xiàn)象。伽馬暴短至千分之一秒，長(zhǎng)則數(shù)小時(shí)。短時(shí)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(zhǎng)時(shí)間的伽馬暴是由巨大恒星(超級(jí)恒星)在燃料耗盡時(shí)坍縮爆炸產(chǎn)生。
此次“拉索”收集到的信號(hào)細(xì)節(jié)表明，探測(cè)到的光子來(lái)源于伽馬射線暴事件“主爆”之后的“后隨爆炸”。
“拉索”項(xiàng)目首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻說(shuō)：“‘主爆’也稱(chēng)為瞬時(shí)輻射，是初始階段的巨大爆炸，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的低能的伽馬射線輻射。接近于光速的爆炸物與周?chē)h(huán)境氣體碰撞則產(chǎn)生‘后隨爆炸’，也稱(chēng)為余輝。‘拉索’首次精確地觀測(cè)了‘后隨爆炸’的完整過(guò)程，記錄了萬(wàn)億電子伏特伽馬射線流量增強(qiáng)和衰減的整個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)了其他實(shí)驗(yàn)沒(méi)有達(dá)到的高能量波段光變過(guò)程的教科書(shū)式的完整觀測(cè)，對(duì)理論模型的精確檢驗(yàn)提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。”
GRB 221009A伽馬暴是有記錄以來(lái)人類(lèi)探測(cè)到的最亮的伽馬暴。“鑒于此次爆發(fā)的稀缺性，這個(gè)觀測(cè)結(jié)果預(yù)期將在今后幾十甚至上百年內(nèi)保持最佳。”曹臻說(shuō)。
首次探測(cè)到光子流量的極速增強(qiáng)
“在‘后隨爆炸’過(guò)程中，‘拉索’首次探測(cè)到光子流量的極速增強(qiáng)。”論文通訊作者之一、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員姚志國(guó)說(shuō)。
按照以往理論模型的預(yù)期，“后隨爆炸”過(guò)程中高能光子流量的增長(zhǎng)應(yīng)該是一直比較緩慢平穩(wěn)的。但這次“拉索”觀測(cè)到，在“后隨爆炸”的早期不到兩秒的時(shí)間里，高能光子流量增強(qiáng)了100多倍。
姚志國(guó)說(shuō)：“早期如此快速的增強(qiáng)現(xiàn)象超出了以往理論模型的預(yù)期。此次發(fā)表的觀測(cè)結(jié)果將會(huì)引發(fā)科學(xué)界對(duì)伽馬射線暴能量注入、光子吸收、粒子加速等機(jī)制的深入探討。”
此次“拉索”的觀測(cè)結(jié)果還表明，高能輻射在起爆之后不到10分鐘的某個(gè)時(shí)刻，亮度突然快速減弱。
論文通訊作者之一、南京大學(xué)教授王祥玉說(shuō)：“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(kuò)展到了噴流的邊緣時(shí)造成亮度快速下降。”
由于這個(gè)亮度轉(zhuǎn)折發(fā)生時(shí)間極早，意味著觀測(cè)到的實(shí)際上是一個(gè)典型內(nèi)亮外暗噴流的最明亮的核心。“正是由于觀測(cè)者碰巧正對(duì)噴流最明亮的核心，自然地解釋了為什么這個(gè)伽馬射線暴是歷史上最亮的，也解釋了為什么這樣的事件極其罕見(jiàn)。”論文通訊作者之一、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授戴子高表示。
此外，在這個(gè)伽馬射線暴事件持續(xù)的10分鐘內(nèi)，“拉索”記錄到的光子數(shù)超過(guò)了過(guò)去幾年對(duì)“標(biāo)準(zhǔn)燭光”蟹狀星云觀測(cè)積累。
“若把選擇條件降到最低，光子數(shù)可以達(dá)到10萬(wàn)。”論文通訊作者之一、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員查敏說(shuō)。對(duì)比同能區(qū)其他實(shí)驗(yàn)裝置，甚至是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)來(lái)追蹤伽馬暴的設(shè)備，它們測(cè)到的光子數(shù)目?jī)H在千個(gè)以下的水平，且都只測(cè)到了爆炸60秒以后的余輝。
天地聯(lián)合數(shù)據(jù)分析全面展開(kāi)
北京時(shí)間2022年10月9日21時(shí)16分59.59秒，美國(guó)的伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星首先探測(cè)到一個(gè)異常明亮的伽馬暴，根據(jù)國(guó)際慣例命名為GRB 221009A，后續(xù)幾十個(gè)空間和地面探測(cè)器都對(duì)此進(jìn)行了觀測(cè)。我國(guó)高海拔宇宙線觀測(cè)站、高能爆發(fā)探索者衛(wèi)星和慧眼衛(wèi)星同時(shí)探測(cè)到了這個(gè)伽馬暴，實(shí)現(xiàn)了跨越11個(gè)量級(jí)的寬能量范圍天地協(xié)同觀測(cè)。
曹臻說(shuō)：“這個(gè)伽馬暴為長(zhǎng)暴，其亮度比以往最亮伽馬暴還要高幾十倍以上，過(guò)高的光子流量使得多個(gè)國(guó)際實(shí)驗(yàn)的探測(cè)器發(fā)生了飽和。”
本次觀測(cè)成果主要由“拉索”的水切倫科夫探測(cè)器陣列提供。該陣列對(duì)伽馬射線的觀測(cè)能量范圍跨域兩個(gè)量級(jí)，在千億電子伏特到十萬(wàn)億電子伏特之間，且具有寬視場(chǎng)、全天候的特點(diǎn)，對(duì)伽馬暴這樣的突發(fā)天體現(xiàn)象的捕捉式觀測(cè)具有突出的優(yōu)勢(shì)。
國(guó)際發(fā)布伽馬暴GRB 221009A預(yù)警后，曹臻迅速組織多個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了數(shù)據(jù)分析與理論解釋工作。后續(xù)的天地聯(lián)合數(shù)據(jù)分析已經(jīng)全面展開(kāi)，更多觀測(cè)研究成果將會(huì)陸續(xù)發(fā)表。
本次觀測(cè)結(jié)果意義重大。北京師范大學(xué)天文系教授高鶴說(shuō)：“這一觀測(cè)結(jié)果大大增進(jìn)了人類(lèi)對(duì)伽馬暴輻射機(jī)制以及噴流結(jié)構(gòu)等方面的理解。”
“截至目前，科學(xué)家們還在不懈地深耕‘拉索’的數(shù)據(jù)，力圖揭示更多奧秘。”曹臻說(shuō)。
本報(bào)記者 吳月輝 《 人民日?qǐng)?bào) 》( 2023年06月13日 第 12 版)
