約20億年前,一顆比太陽質(zhì)量大20多倍的“超級太陽”——大質(zhì)量恒星燃燒完其核聚變?nèi)剂?,瞬間坍縮引發(fā)巨大的爆炸火球,發(fā)出了一個持續(xù)幾百秒的巨大“宇宙煙花”——伽馬射線暴?;鹎蚺c星際物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的大量萬億電子伏特高能伽馬光子,穿過茫茫宇宙,徑直飛向地球,于2022年10月9日21時20分50秒抵達我國大科學(xué)裝置高海拔宇宙線觀測站的視場范圍,6萬多個伽馬光子被“拉索”收集到。
經(jīng)過幾個月的分析后,科學(xué)家們終于揭開了這場事件的面紗。
前不久,高海拔宇宙線觀測站(LHAASO,中文簡稱“拉索”)對命名為GRB 221009A的伽馬射線暴的最新觀測研究成果,在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志,題為“極亮伽馬射線暴221009A窄噴流的萬億電子伏特余輝”。該論文由LHAASO國際合作組完成。
“拉索”首次精確測量高能光子爆發(fā)的完整過程
“拉索”收集到的信號細節(jié)表明,探測到的光子來源于主爆之后的后隨爆炸。伽馬射線暴事件的“主爆”,也稱為瞬時輻射,是初始階段的巨大的爆炸,表現(xiàn)為強烈的低能的伽馬射線輻射。接近于光速的爆炸物與周圍環(huán)境氣體碰撞則產(chǎn)生“后隨爆炸”,也稱為余輝。
伽馬射線暴(也簡寫為伽馬暴)是宇宙大爆炸之后最劇烈的天體爆炸現(xiàn)象,是指來自天空中某一方向的伽馬射線突然增強的閃爍現(xiàn)象。伽馬暴短則千分之一秒,長則數(shù)小時。短時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,而長時間的伽馬暴是由巨大恒星(超級恒星)在燃料耗盡時塌縮爆炸產(chǎn)生。
“‘拉索’首次精確地觀測了后隨爆炸的完整過程,記錄了萬億電子伏特伽馬射線流量增強和衰減的整個階段?!薄袄鳌表椖渴紫茖W(xué)家、“拉索”國際合作組發(fā)言人、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻說。
憑借對上萬個伽馬射線暴的觀測,科學(xué)家已經(jīng)建立了似乎完美的理論模型,甚至于對它深信不疑了。團隊認為,“拉索”實現(xiàn)了其他實驗沒有達到的高能量波段光變過程的教科書式的完整觀測,對理論模型的精確檢驗提供了實驗基礎(chǔ)。鑒于此次爆發(fā)千年不遇的稀缺性,這個觀測結(jié)果預(yù)期將在今后幾十甚至上百年內(nèi)保持最佳。
“在后隨爆炸過程中,‘拉索’首次探測到光子流量的極速增強?!闭撐耐ㄓ嵶髡咧弧⒅袊茖W(xué)院高能物理研究所研究員姚志國說。不到兩秒的時間內(nèi)流量增強了100多倍,之后的緩慢增長行為卻符合后隨爆炸的預(yù)期特征。早期如此快速的增強現(xiàn)象超出了以往理論模型的預(yù)期。究竟存在著什么樣的機制?此次發(fā)表的觀測結(jié)果將會引發(fā)科學(xué)界對伽馬射線暴能量注入、光子吸收、粒子加速等機制的深入探討。
“拉索”發(fā)現(xiàn)了此伽馬射線暴歷史最亮的秘密
“拉索”觀測表明,高能輻射在起爆之后不到10分鐘的某個時刻,亮度突然快速減弱了。
“這可解釋為爆炸后的拋射物是噴流狀的結(jié)構(gòu),當輻射張角擴展到了噴流的邊緣時造成亮度快速下降。”論文通訊作者之一、南京大學(xué)教授王祥玉說。由于這個亮度轉(zhuǎn)折發(fā)生時間極早,由此測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,意味著觀測到的實際上是一個典型內(nèi)亮外暗噴流的最明亮的核心。
“正是由于觀測者碰巧正對噴流最明亮的核心,自然地解釋了為什么這個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?!闭撐耐ㄓ嵶髡咧?、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授戴子高表示。
在這個事件持續(xù)的10分鐘內(nèi),“拉索”記錄到的光子數(shù)超過了過去幾年對“標準燭光”蟹狀星云觀測積累?!叭舭堰x擇條件降到最低,光子數(shù)可以達到10萬!”論文通訊作者之一、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員查敏說。對比同能區(qū)其他實驗裝置,甚至是專門設(shè)計來追蹤伽馬暴的設(shè)備,它們測到的光子數(shù)目僅在千個以下的水平,且都只測到了爆炸過后60秒以晚的“余輝”。
美國賓州州立大學(xué)講座教授、美國藝術(shù)與科學(xué)院院士、伽馬射線暴火球模型奠基人Peter Meszaros提到,得益于“拉索”巨大的觀測面積和先進的探測器技術(shù),這是首次探測到TeV能區(qū)的早期余輝光變曲線,它們由外激波的同步輻射-自康普頓成分形成。此外,光變曲線顯示出了減速特征,給出了值約為440的平均洛倫茲因子的測量結(jié)果。它還觀測到了光變曲線的截斷現(xiàn)象,由此可以計算出噴流張角約為0.8度,使得噴流總能量減少至約1051 erg,與其他伽馬射線暴一致。
北京師范大學(xué)天文系高鶴教授認為,“伽馬射線暴是宇宙中最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象,其幾秒鐘輻射的能量相當于太陽100億年輻射能量的總和。經(jīng)過半個世紀的研究,人們認識到伽馬暴產(chǎn)生于特別極端的物理環(huán)境,比如極高的磁場、極強的引力,極快的速度等等,伽馬暴由此成為天體物理甚至基礎(chǔ)物理領(lǐng)域青睞的極端物理實驗室?!?/p>
他進一步解釋,人們期望利用伽馬暴研究宇宙的演化歷史、重元素的起源以及相對論的正確性等重大問題,而在這之前必須對伽馬暴自身的物理起源具備深刻的了解。
“截至當下,本場事件還有其他的許多新發(fā)現(xiàn),科學(xué)家還在不懈地深耕‘拉索’的數(shù)據(jù),力圖揭示更多的奧秘,敬請等待‘拉索’的后續(xù)數(shù)據(jù)分析成果?!辈苷閷Α袄鳌毕乱浑A段成果給出了樂觀的預(yù)期。
中青報·中青網(wǎng)見習(xí)記者 楊潔 來源:中國青年報
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