2023年6月9日，高海拔宇宙线观测站（LHAASO，中文简称“拉索”）对命名为GRB 221009A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，题为“极亮伽马射线暴221009A窄喷流的万亿电子伏特余辉”（A tera-electronvolt afterglow from a narrow jet in an extremely bright gamma-ray burst 221009A）。该论文由LHAASO国际合作组完成。
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日晚上9时20分50秒抵达“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。
01
伽马射线暴是什么？
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）在燃料耗尽时塌缩爆炸产生。
2022年10月9日北京时间21时16分59.59秒，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暴发进行了观测。
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。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。
“拉索”探测伽马射线暴（GRB 221009A）艺术图。图片来源：中国科学院高能物理研究所
02
首次精确测量
高能光子爆发的完整过程
这次“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。
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。“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。
凭借对上万个伽马射线暴的观测，科学家们已经建立了似乎完美的理论模型，甚至于对它深信不疑了。“拉索”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。鉴于此次爆发千年不遇的稀缺性，这个观测结果预期将在今后几十甚至上百年内将保持最佳。
03
发现了此伽马射线暴
历史最亮的秘密
“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。这主要是因为，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，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。
04
LHAASO：
4410米高处，探索宇宙的超高能极限
LHAASO是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施，位于四川省稻城县海子山，平均海拔4410米，占地面积约1.36平方公里。
LHAASO由三个阵列组成：5216个电磁粒子探测器与1188个缪子探测器联合构成的1平方公里的地面簇射粒子探测器阵列（KM2A）、3120个探测单元构成的78000平方米的水切伦科夫探测器阵列（WCDA）、18台望远镜构成的广角切伦科夫望远镜阵列（WFCTA），可以宽波段、多手段地测量来自于高能天体的伽马射线和宇宙线，开展天体物理等方面的研究。
本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。
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。
“拉索”在最高能段的高统计量观测，还会揭示更多的谜团，科学家们还在不懈地深耕‘拉索’的数据，力图揭示更多的奥秘。我们也期待更多的观测研究成果，让我们能更深入地了解宇宙。
出品：科普中国
作者：穿越星空团队
监制：中国科普博览