灼灼探光子 炯炯测余辉(科技自立自强)

来源:人民日报
2023-06-13 05:53 
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  “拉索”探测伽马射线暴GRB 221009A想象图。

中国科学院供图

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我国高海拔宇宙线观测站“拉索”首次完整记录了迄今最亮伽马暴的万亿电子伏特伽马射线爆发全过程,“拉索”国际合作组在此基础上取得一系列观测研究成果,相关成果6月9日在《科学》杂志在线发表。本次观测结果意义重大,增进了人类对伽马暴辐射机制以及喷流结构等方面的理解。

6月9日,《科学》杂志在线发表了我国高海拔宇宙线观测站“拉索”(LHAASO)对命名为GRB 221009A的伽马射线暴的最新观测研究成果:“拉索”首次完整记录了大质量恒星死亡瞬间万亿电子伏特伽马射线爆发全过程。该成果由“拉索”国际合作组完成。

完整记录迄今最亮伽马暴高能辐射全过程

约20亿年前,一颗比太阳重20多倍的“超级太阳”大质量恒星,燃烧完其核聚变燃料,瞬间坍缩引发巨大的爆炸火球,发出了一个持续几百秒的巨大“宇宙烟花”伽马射线暴。火球与星际物质碰撞产生的大量万亿电子伏特高能伽马光子穿过茫茫宇宙,径直飞向地球。2022年10月9日21时20分50秒,这些伽马光子抵达“拉索”的视场范围,其中,6万多个伽马光子被“拉索”收集到。经过几个月的分析,科学家们终于揭开了这场爆炸事件的面纱。

伽马射线暴(也简写为“伽马暴”)是宇宙大爆炸之后最剧烈的天体爆炸现象,是指来自天空中某一方向的伽马射线突然增强的闪烁现象。伽马暴短至千分之一秒,长则数小时。短时间的伽马暴是由两颗邻近的致密星体(黑洞或中子星)并合产生,而长时间的伽马暴是由巨大恒星(超级恒星)在燃料耗尽时坍缩爆炸产生。

此次“拉索”收集到的信号细节表明,探测到的光子来源于伽马射线暴事件“主爆”之后的“后随爆炸”。

“拉索”项目首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻说:“‘主爆’也称为瞬时辐射,是初始阶段的巨大爆炸,表现为强烈的低能的伽马射线辐射。接近于光速的爆炸物与周围环境气体碰撞则产生‘后随爆炸’,也称为余辉。‘拉索’首次精确地观测了‘后随爆炸’的完整过程,记录了万亿电子伏特伽马射线流量增强和衰减的整个阶段,实现了其他实验没有达到的高能量波段光变过程的教科书式的完整观测,对理论模型的精确检验提供了实验基础。”

GRB 221009A伽马暴是有记录以来人类探测到的最亮的伽马暴。“鉴于此次爆发的稀缺性,这个观测结果预期将在今后几十甚至上百年内保持最佳。”曹臻说。

首次探测到光子流量的极速增强

“在‘后随爆炸’过程中,‘拉索’首次探测到光子流量的极速增强。”论文通讯作者之一、中国科学院高能物理研究所研究员姚志国说。

按照以往理论模型的预期,“后随爆炸”过程中高能光子流量的增长应该是一直比较缓慢平稳的。但这次“拉索”观测到,在“后随爆炸”的早期不到两秒的时间里,高能光子流量增强了100多倍。

姚志国说:“早期如此快速的增强现象超出了以往理论模型的预期。此次发表的观测结果将会引发科学界对伽马射线暴能量注入、光子吸收、粒子加速等机制的深入探讨。”

此次“拉索”的观测结果还表明,高能辐射在起爆之后不到10分钟的某个时刻,亮度突然快速减弱。

论文通讯作者之一、南京大学教授王祥玉说:“这可解释为爆炸后的抛射物是喷流状的结构,当辐射张角扩展到了喷流的边缘时造成亮度快速下降。”

由于这个亮度转折发生时间极早,意味着观测到的实际上是一个典型内亮外暗喷流的最明亮的核心。“正是由于观测者碰巧正对喷流最明亮的核心,自然地解释了为什么这个伽马射线暴是历史上最亮的,也解释了为什么这样的事件极其罕见。”论文通讯作者之一、中国科学技术大学教授戴子高表示。

此外,在这个伽马射线暴事件持续的10分钟内,“拉索”记录到的光子数超过了过去几年对“标准烛光”蟹状星云观测积累。

“若把选择条件降到最低,光子数可以达到10万。”论文通讯作者之一、中国科学院高能物理研究所研究员查敏说。对比同能区其他实验装置,甚至是专门设计来追踪伽马暴的设备,它们测到的光子数目仅在千个以下的水平,且都只测到了爆炸60秒以后的余辉。

天地联合数据分析全面展开

北京时间2022年10月9日21时16分59.59秒,美国的伽马射线空间望远镜卫星首先探测到一个异常明亮的伽马暴,根据国际惯例命名为GRB 221009A,后续几十个空间和地面探测器都对此进行了观测。我国高海拔宇宙线观测站、高能爆发探索者卫星和慧眼卫星同时探测到了这个伽马暴,实现了跨越11个量级的宽能量范围天地协同观测。

曹臻说:“这个伽马暴为长暴,其亮度比以往最亮伽马暴还要高几十倍以上,过高的光子流量使得多个国际实验的探测器发生了饱和。”

本次观测成果主要由“拉索”的水切伦科夫探测器阵列提供。该阵列对伽马射线的观测能量范围跨域两个量级,在千亿电子伏特到十万亿电子伏特之间,且具有宽视场、全天候的特点,对伽马暴这样的突发天体现象的捕捉式观测具有突出的优势。

国际发布伽马暴GRB 221009A预警后,曹臻迅速组织多个团队开展了数据分析与理论解释工作。后续的天地联合数据分析已经全面展开,更多观测研究成果将会陆续发表。

本次观测结果意义重大。北京师范大学天文系教授高鹤说:“这一观测结果大大增进了人类对伽马暴辐射机制以及喷流结构等方面的理解。”

“截至目前,科学家们还在不懈地深耕‘拉索’的数据,力图揭示更多奥秘。”曹臻说。

【责任编辑:王晗】

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