迄今最亮“宇宙煙花秀”被完整記錄，入選年度十大科學(xué)進(jìn)展，“拉索”這一成果究竟講了啥？

2024年2月29日，國家自然科學(xué)基金委員會發(fā)布了2023年度“中國科學(xué)十大進(jìn)展”，由中國科學(xué)院高能物理研究所曹臻院士領(lǐng)導(dǎo)的高海拔宇宙線觀測站（簡稱“拉索”，英文LHAASO）國際合作組發(fā)布的重大進(jìn)展——“拉索”發(fā)現(xiàn)史上最亮伽馬暴的極窄噴流和十萬億電子伏特光子——入選。這一成果的相關(guān)論文發(fā)表在2023年6月8日的Science和2023年11月15日Science Advances上。

初次看到這一成果，是不是字都認(rèn)識但組合起來卻有點兒不太懂？下面我就來給大家科普一下。

“拉索”發(fā)現(xiàn)史上最亮伽馬暴的極窄噴流和十萬億電子伏特光子（藝術(shù)示意圖）

1、伽馬暴，百億光年外的“宇宙煙花秀”

伽馬射線暴（簡稱“伽馬暴”）是天空中突然發(fā)生的短暫伽馬射線爆發(fā)現(xiàn)象，是宇宙大爆炸之后最劇烈的天體爆炸現(xiàn)象。如果要用一個形象的比喻的話，伽馬暴就像一個巨大的煙花，只不過，煙花我們可以直接肉眼觀賞到，但要觀測伽馬暴則需要用到專門的大型科學(xué)裝置。

伽馬暴首次發(fā)現(xiàn)于1967年，其主要輻射在100keV-10MeV伽馬射線波段，人類利用空間衛(wèi)星探測器至今已經(jīng)記錄到近萬個伽馬暴事件。根據(jù)輻射持續(xù)時間，伽馬暴分為兩類：時間小于2秒的短暴和時間大于2秒的長暴。

那么伽馬暴是如何誕生的呢？目前科學(xué)界一般認(rèn)為，長暴起源于超大質(zhì)量恒星核心坍縮，短暴起源于兩個中子星并和，兩種過程都產(chǎn)生速度接近光速的噴流。不管是長暴還是短暴，他們都來自于遙遠(yuǎn)的河外星系，平均距離在100億光年左右。

2、大能量伽馬暴輻射，要完整觀測并不容易

伽馬暴的輻射分為兩個階段：瞬時輻射和余輝輻射。余輝是伽馬暴爆發(fā)之后的后隨輻射，最早于1997年發(fā)現(xiàn)。

一般認(rèn)為伽馬暴中心引擎先產(chǎn)生一個溫度極高的火球，它以極端相對論的速度向外膨脹，當(dāng)后面較快的物質(zhì)追趕上前面較慢的物質(zhì)之后發(fā)生碰撞，產(chǎn)生內(nèi)激波。內(nèi)激波加熱電子到相對論能量，相對論電子在磁場中運(yùn)動，通過同步輻射或逆康普頓散射產(chǎn)生keV/MeV的伽馬射線，這就是伽馬暴的瞬時輻射。

相對論性物質(zhì)繼續(xù)掃過星際介質(zhì)，產(chǎn)生外激波。外激波加速星際介質(zhì)中的電子，通過電子的同步輻射產(chǎn)生相對緩慢變化的X射線、光學(xué)、射電等波段的輻射，即余輝輻射。

伽馬暴萬億電子伏特的輻射直到2019年才被地面大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡在余輝階段觀測到，至今也僅觀測到3個事例。通過對多波段聯(lián)合觀測，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)余輝輻射的能譜存在兩個光譜成分，低能成分認(rèn)為是電子在磁場中的同步輻射，而高能成分認(rèn)為是高能電子對同步輻射光子的逆康普頓散射。

由于大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡只能在晴朗的無月夜晚觀測，而且具有很窄的視場，因此在收到衛(wèi)星報警信息后需要一定的時間轉(zhuǎn)到伽馬暴的方向，它們只看到了余輝的下降階段，而錯過了瞬時輻射階段和余輝上升階段的觀測。

3、中國“拉索”，助人類揭開迄今最亮伽馬暴的秘密

“拉索”是十二五國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃項目，在研制過程中發(fā)展了多項關(guān)鍵核心技術(shù)，2021年完成全部建設(shè)并開始穩(wěn)定運(yùn)行，在超高能伽馬射線探測靈敏度、甚高能伽馬射線巡天普查靈敏度、宇宙線能量覆蓋區(qū)間均達(dá)到國際領(lǐng)先水平，并于2023年5月優(yōu)于設(shè)計指標(biāo)通過國家驗收。

位于海拔4410米高原的高海拔宇宙線觀測站（簡稱“拉索”，英文LHAASO）航拍圖 中國科學(xué)院高能物理研究所供圖

伽馬暴是“拉索”的重要科學(xué)目標(biāo)之一，相比大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡，“拉索”探測器具有大得多的視場，每個時刻可以監(jiān)視1/7的全天區(qū)，而且具有全天候觀測時間，因而可以觀測到伽馬暴瞬時輻射和早期余輝。

北京時間2022年10月9日晚，空間衛(wèi)星記錄到人類歷史上已知最亮的伽馬暴（命名為GRB 221009A），其產(chǎn)生于一顆比太陽重20多倍的大質(zhì)量恒星在燃料耗盡時的塌縮爆炸，根據(jù)已有的觀測事例估計，如此亮的伽馬暴出現(xiàn)的頻次為千年一次。

得益于“拉索”的大視場和高靈敏度，人類終于第一次完整地看到了伽馬暴萬億電子伏特余輝輻射從上升到下降的完整演化過程。根據(jù)“拉索”探測到亮度峰值時間，推算出伽馬暴噴流初始速度的洛倫茲因子約為440，比普通伽馬暴噴流速度快很多。

“拉索”觀測到了萬億電子伏特輻射在早期存在一個極快上升的階段，這一新現(xiàn)象在其他波段余輝中從未觀測過，這可能是由于中心引擎在早期向余輝持續(xù)注入了大量能量所致?！袄鳌边€觀測到亮度在700秒左右出現(xiàn)了快速下降，根據(jù)“拉索”測量時間可以推斷噴流半張角僅有0.8°，這是迄今發(fā)現(xiàn)的最窄伽馬暴噴流，從而揭示了這個伽馬暴歷史上最亮的秘密。

4、“拉索”的這次發(fā)現(xiàn)，為伽馬暴理論研究帶來新啟示

“拉索”探測到了來自GRB 221009A最高光子能量達(dá)13萬億電子伏特，首次打開伽馬暴10萬億電子伏特觀測窗口，是伽馬暴六十年研究歷史上的里程碑?；诮f例伽馬暴的低能觀測，科學(xué)家已經(jīng)建立了余輝的標(biāo)準(zhǔn)理論模型，萬億電子伏特余輝輻射起源于相對論電子的同步自康普頓輻射，理論上能量越高的光子其亮度應(yīng)該明顯下降，但“拉索”測量卻發(fā)現(xiàn)GRB 221009A的輻射一直延伸到10萬億電子伏特以上，沒有出現(xiàn)預(yù)期的變暗現(xiàn)象，對伽馬暴余輝標(biāo)準(zhǔn)輻射模型提出了挑戰(zhàn)，預(yù)示著10萬億電子伏特左右光子可能產(chǎn)生于更復(fù)雜的粒子加速過程或者存在新的輻射機(jī)制。

高能伽馬光子在宇宙空間傳播時會被宇宙中彌漫的背景光吸收，伽馬光子能量越高，吸收越強(qiáng)烈。

宇宙背景光是宇宙中不同距離處所有的星系輻射產(chǎn)物的總和，與星系的形成和演化密切相關(guān)。GRB 221009A距離地球約24億光年，在現(xiàn)有宇宙背景光模型下預(yù)期“拉索”難探測到其10 萬億電子伏特以上的光子，“拉索”測量結(jié)果則顯示宇宙比原來預(yù)期的要透明，要求紅外波段宇宙背景光強(qiáng)度僅為現(xiàn)有宇宙學(xué)模型預(yù)期的40%左右，對研究宇宙中星系的形成和演化過程具有重要價值。

另一方面，如果認(rèn)為現(xiàn)有宇宙背景光的吸收強(qiáng)度是正確的，則需要存在某種超出當(dāng)前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理機(jī)制來解釋觀測結(jié)果。比如，作為愛因斯坦狹義相對論基礎(chǔ)的“洛倫茲對稱性”如果在高能區(qū)存在非常微小的破壞，這種效應(yīng)在伽馬光子24億光年的長距離飛行中就會被放大為可觀測現(xiàn)象，從而能夠解釋“拉索”觀測結(jié)果。此外，軸子是標(biāo)準(zhǔn)模型之外的一種新粒子，如果高能光子與軸子存在振蕩，也可以解釋“拉索”觀測到的高能伽馬光子弱吸收現(xiàn)象。

結(jié)語

“拉索”是國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，是由5216個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器組成的一平方公里地面簇射粒子探測器陣列、7.8萬平方米水切倫科夫探測器陣列以及由18臺廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成的復(fù)合陣列?！袄鳌庇?021年7月建成并開始高質(zhì)量穩(wěn)定運(yùn)行，是國際上領(lǐng)先的高能伽馬射線探測裝置，具有大視場和全天候的特點，每天可以監(jiān)視2/3的天區(qū)范圍，“拉索”預(yù)期將運(yùn)行20年以上，未來有望捕獲更多伽馬暴事件，在探索這一宇宙大爆炸之后最劇烈的天體爆炸現(xiàn)象上取得更多突破。

出品：科普中國

作者：陳松戰(zhàn)，中國科學(xué)院高能物理研究所研究員

監(jiān)制：中科數(shù)創(chuàng)（北京）數(shù)字傳媒有限公司