“拉索”记录大质量恒星死亡瞬间高能光子爆发全过程

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，于2022年10月9日21时20分50秒抵达高海拔宇宙线观测站（LHAASO，中文简称“拉索”）的视场范围，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。

记者从中国科学院高能物理研究所获悉，6月9日，“拉索”对命名为GRB221009A的伽马射线暴（Gamma Ray Burst，GRB）的最新观测研究成果在线发表于《科学》（Science）杂志。

“拉索”探测伽马射线暴（GRB221009A）艺术图。中国科学院供图

“拉索”“慧眼”精确探测最亮伽马暴

伽马射线暴（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，其几秒钟辐射的能量相当于太阳100亿年辐射能量的总和。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）在燃料耗尽时塌缩爆炸产生。

2022年10月9日，费米卫星（Fermi spacecraft）首先探测到一个异常明亮的伽马暴，根据国际惯例命名为GRB221009A，后续几十个空间和地面探测器都对此爆发进行了观测。这个伽马暴的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。我国高海拔宇宙线观测站（LHAASO）、高能爆发探索者（HEBS）卫星和慧眼（Insight-HXMT）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。

首次精确观测“后随爆炸”完整过程

高海拔宇宙线观测站是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施，此次观测成果主要由其中的水切伦科夫探测器阵列提供。该探测器利用36万吨的纯净水作为介质，通过水底放置的6240支不同尺寸的光敏探头，测量伽马射线或宇宙线在大气层中运动与作用过程的次级产物，如低能伽马光子、正负电子等，它们会在水中产生切伦科夫光信号。

伽马射线暴事件的“主爆”，也称为瞬时辐射，是初始阶段的巨大的爆炸，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。

此次，“拉索”收集到的信号细节表明，探测到的光子来源于主爆之后的“后随爆炸”。“‘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。”高海拔宇宙线观测站项目首席科学家、高海拔宇宙线观测站国际合作组发言人、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻说。

“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，不到两秒的时间内流量增强了100多倍，之后的缓慢增长行为却符合后随爆炸的预期特征。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。

“拉索”发现此伽马射线暴历史最亮秘密

“拉索”观测表明，高能辐射在起爆之后不到10分钟的某个时刻，亮度突然快速减弱了。“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。”论文通讯作者之一、南京大学教授王祥玉说。

由于这个亮度转折发生时间极早，由此测出了喷流的张角也极小，仅0.8度。这是迄今知道的最小张角的喷流，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。

北京师范大学天文系教授高鹤在评价该成果时表示，迄今为止已有上万个伽马暴被人类捕获，而每一次对伽马暴认知的突破几乎都得益于一些特殊事例的观测。2022年10月9日，有记录以来最亮的伽马暴（GRB221009A）被探测到，科学家推断如此亮的伽马暴扫过地球的概率是万年一次。而这一次人类是极其幸运的，因为GRB221009A恰好落在了“拉索”的最佳观测范围内。“拉索”不负众望，首次在TeV（1TeV=1万亿电子伏特）能量处给出了伽马暴完整的光变曲线与能谱，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。

新京报记者 张璐

编辑 白爽 校对 赵琳