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高海拔宇宙線(xiàn)觀測(cè)站（LHAASO）。圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所“拉索”以超過(guò)250倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的高顯著水平觀測(cè)到了伽馬射線(xiàn)暴GRB 221009A的爆發(fā)。圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所高海拔宇宙線(xiàn)觀測(cè)站（LHAASO）圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所

2023年6月9日，高海拔宇宙線(xiàn)觀測(cè)站（LHAASO，中文簡(jiǎn)稱(chēng)“拉索”）對(duì)命名為GRB 221009A的伽馬射線(xiàn)暴（Gamma Ray Burst，GRB）的最新觀測(cè)研究成果在線(xiàn)發(fā)表于《科學(xué)》（Science）雜志，題為“極亮伽馬射線(xiàn)暴221009A窄噴流的萬(wàn)億電子伏特余輝”（A tera-electronvolt afterglow from a narrow jet in an extremely bright gamma-ray burst 221009A）。該論文由LHAASO國(guó)際合作組完成。

(相關(guān)資料圖)

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(xiàn)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，于2022年10月9日晚上9時(shí)20分50秒抵達(dá)“拉索”的視場(chǎng)范圍，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。

01

伽馬射線(xiàn)暴是什么？

伽馬射線(xiàn)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(xiàn)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)塌縮爆炸產(chǎn)生。

2022年10月9日北京時(shí)間21時(shí)16分59.59秒，費(fèi)米衛(wèi)星（Fermi spacecraft）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GRB221009A，后續(xù)幾十個(gè)空間和地面探測(cè)器都對(duì)此暴發(fā)進(jìn)行了觀測(cè)。

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。我國(guó)高海拔宇宙線(xiàn)觀測(cè)站（LHAASO）、高能爆發(fā)探索者（HEBS）衛(wèi)星和慧眼（Insight-HXMT）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)。

“拉索”探測(cè)伽馬射線(xiàn)暴（GRB 221009A）藝術(shù)圖。圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所

02

首次精確測(cè)量

高能光子爆發(fā)的完整過(guò)程

這次“拉索”收集到的信號(hào)細(xì)節(jié)表明，探測(cè)到的光子來(lái)源于主爆之后的后隨爆炸。

伽馬射線(xiàn)暴事件的“主爆”，也稱(chēng)為瞬時(shí)輻射，是初始階段的巨大的爆炸，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的低能的伽馬射線(xiàn)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?！袄鳌笔状尉_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(xiàn)流量增強(qiáng)和衰減的整個(gè)階段。

憑借對(duì)上萬(wàn)個(gè)伽馬射線(xiàn)暴的觀測(cè)，科學(xué)家們已經(jīng)建立了似乎完美的理論模型，甚至于對(duì)它深信不疑了。“拉索”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)。鑒于此次爆發(fā)千年不遇的稀缺性，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)將保持最佳。

03

發(fā)現(xiàn)了此伽馬射線(xiàn)暴

歷史最亮的秘密

“拉索”觀測(cè)表明，高能輻射在起爆之后不到10分鐘的某個(gè)時(shí)刻，亮度突然快速減弱了。這主要是因?yàn)?，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，由此測(cè)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(xiàn)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)。

04

LHAASO：

4410米高處，探索宇宙的超高能極限

LHAASO是以宇宙線(xiàn)觀測(cè)研究為核心的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，位于四川省稻城縣海子山，平均海拔4410米，占地面積約1.36平方公里。

LHAASO由三個(gè)陣列組成：5216個(gè)電磁粒子探測(cè)器與1188個(gè)繆子探測(cè)器聯(lián)合構(gòu)成的1平方公里的地面簇射粒子探測(cè)器陣列（KM2A）、3120個(gè)探測(cè)單元構(gòu)成的78000平方米的水切倫科夫探測(cè)器陣列（WCDA）、18臺(tái)望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成的廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列（WFCTA），可以寬波段、多手段地測(cè)量來(lái)自于高能天體的伽馬射線(xiàn)和宇宙線(xiàn)，開(kāi)展天體物理等方面的研究。

本次觀測(cè)成果主要由其中的水切倫科夫探測(cè)器陣列提供。該探測(cè)器利用36萬(wàn)噸的純凈水作為介質(zhì)，通過(guò)水底放置的6240支不同尺寸的光敏探頭，測(cè)量伽馬射線(xiàn)或宇宙線(xiàn)在大氣層中運(yùn)動(dòng)與作用過(guò)程的次級(jí)產(chǎn)物如低能伽馬光子、正負(fù)電子等，它們會(huì)在水中產(chǎn)生切倫科夫光信號(hào)。

該陣列對(duì)伽馬射線(xiàn)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)。

“拉索”在最高能段的高統(tǒng)計(jì)量觀測(cè)，還會(huì)揭示更多的謎團(tuán)，科學(xué)家們還在不懈地深耕‘拉索’的數(shù)據(jù)，力圖揭示更多的奧秘。我們也期待更多的觀測(cè)研究成果，讓我們能更深入地了解宇宙。

出品：科普中國(guó)

作者：穿越星空?qǐng)F(tuán)隊(duì)

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

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