罕见！中国观测站新发现！接收到20亿年前的光子！-

北京时间 2022 年 10 月 9 日晚，美国费米卫星探测到来自外太空的一个伽马射线暴（以下简称伽马暴）事件，命名为 GRB 221009A。此伽马暴巨大的辐射流量导致了多数国际空间卫星实验探测器探测能力的饱和，造成了仪器的短暂失灵或数据堆积。

随后，经过全球多个探测器的对比分析，天文学家们一致认为，这是人类历史上记录到的最亮的伽马暴，比第二位的要亮 50 倍左右，并由此起名 BOAT（Brightest of All Time)。

在这次爆发期间，我国的高海拔宇宙线观测站（LHAASO，中文简称“拉索”）表现出色，获取了极高质量的万亿电子伏特观测数据，不仅首次描绘出伽马暴万亿电子伏特余辉的光度上升阶段，还发现了极早期余辉的光变折断现象。

高海拔宇宙线观测站。图片来源：中国科学院高能物理研究所

伽马暴，恒星消亡的绝唱

伽马暴是天空中突然出现的伽马射线爆发的现象。

自 1967 年首次被发现后，伽马暴的起源一直困扰着天文学家。地面上的伽马射线一般来自放射性元素，因此地球上的伽马射线爆发往往与剧烈的核爆相关。但是天空中恒星的核反应较为稳定，不会有突然的爆发现象。

天空中的伽马暴来自什么天体？它们处在我们的银河系还是遥远的宇宙？为什么这些伽马射线会爆发性地产生又快速消失？

相关的问题直到 20 世纪 90 年代才有了明确的答案。1997 年，由于 BeppoSAX 卫星提供了很好的X射线余辉的定位，伽马暴被证实来自遥远的星系，伽马暴的相对论性火球模型也得到了多方面的证实。

伽马暴的秘密终于被人们揭开：伽马暴起源于一个以接近光速运动的“火球”，“火球”中包含了大量的伽马光子和正负电子对。由于“火球”中的强磁场环境，高能电子可以通过同步辐射等机制产生伽马射线。

这一次，“拉索”接收到伽马射线的过程是这样的：

约 20 亿年前，一个大质量恒星核聚变燃料耗尽，由引力作用导致塌缩，喷射出极窄的锥状的“火球”。“火球”中产生大量的高能伽马光子，这些高能光子恰好朝着地球的方向飞行，越过 24 亿光年的距离到达地球。这些高能光子在到达地球时已经发散到几千个银河系的范围，最终只有极少量的伽马光子能够击中地球。

当伽马光子进入大气层后，会和地球大气中的原子核碰撞，碎裂成一对正负电子。正负电子与大气原子核碰撞，产生稍低能量的光子。这些光子继续碎裂，如此往复，原本的一个伽马光子迅速化成一簇，枝繁叶茂，愈加壮大，单个粒子的能量则越来越低，直至能量分散耗尽，不再发生作用。

北京时间 2022 年 10 月 9 日晚上 21 点 21 分，伽马光子陆续到达地球，进入大气，一道道空气簇射轰击地表，可惜人眼无法分辨这些壮观的簇射。“拉索”目睹了一切，人类便利用“拉索”穿越 20 亿年，去解读那颗 24 亿光年外的恒星的秘密。

一个高能伽马事例击中“拉索”，艺术加工图。图片来源：中国科学院高能物理研究所，由中国科学技术大学艺术与科学研究中心制作

余辉，解密伽马暴的绝佳探针

“拉索”是怎样解读那颗恒星的秘密的？这要从伽马暴的余辉说起。

当伽马暴喷射的“火球”与星际介质（如尘埃、气体）碰撞之后，会加速包括电子、原子核等在内的粒子。其中，高能电子会辐射出包括射电、红外、可见光、紫外、X射线、伽马射线在内的各种波段的电磁波，犹如彩虹一样在天空中持续几个小时、数天甚至数月，这一现象被称为“余辉”。

锥状“火球”与星际介质作用产生的余辉。图片来源：中国科学院高能物理研究所，由中国科学技术大学艺术与科学研究中心制作

余辉过程刚开始，伽马光子会以越来越快的速度持续产生，产生光子的数量在非常短的时间内达到最大。这个过程中“火球”的能量逐渐损失，辐射光子的数量增加也逐渐放缓。

在“拉索”的“眼”里，天空被突然点亮，然后逐渐暗淡，“拉索”可以“感受”到伽马射线暴亮度变化。伽马光子击中地球的过程，就像夏天的骤雨，来得迅猛，去得悠长。科学家用“光变曲线”描述余辉亮度随时间变化的过程，包含亮度上升和下降两个主要阶段。

余辉的发现和观测给伽马暴的研究带来了突破性的进展。相比于只持续很短时间的伽马暴火球内部相互作用产生的辐射（称作瞬时辐射），余辉持续的时间更长，辐射的波段更丰富，能够给人类提供关于伽马暴“火球”更全面的信息。

几十年来，天文学家已经从射电、光学、X射线、伽马射线等多个波段观测到了近万个伽马暴的余辉，基本上已经完善了余辉的图像。但是对余辉的起始过程，即亮度逐渐增强的阶段，天文学家观测到的情况并不多。

这是因为，亮度上升阶段的延续时间非常短，大概只有几十秒，需要仪器快速瞄准、跟踪观测才能实现。而且，由于辐射流量随能量的提高会迅速下降，天文学家从未在高能段观测到余辉亮度的上升。

这个没观测到的波段，是否蕴藏着新的秘密？

“拉索”

首次实现高能余辉辐射的完整观测

2018 年以来，已经有两个大气切伦科夫望远镜观测到了 3 次伽马暴万亿电子伏特（TeV）能量范围的余辉。但由于望远镜需要一定的时间转到伽马暴的方向，它们只看到了余辉的下降阶段，并没有描绘出高能余辉完整的时间演化图景。

但“拉索”不一样。“拉索”有三个优势，让我们有更多的机会实现对伽马暴余辉更好的观测。

一是从千亿到十万亿电子伏特能量范围超高的灵敏度。“拉索”的水切伦科夫探测器阵列的全覆盖面积高达 78000 平方米，是国际同类探测器的 4 倍，可以观测非常微弱的伽马射线暴信号。

二是宽广的观测视场。“拉索”可以同时观测 1/6 的空间范围，是望远镜装置的数百倍，无须旋转就可以捕捉到更多的伽马暴。

三是全天候的工作状态。

无论是白天还是晚上，晴天还是降雨，“拉索”都可以持续观测，不必像望远镜那样只能在晴朗的夜里工作。

“拉索”水切伦科夫探测器阵列示意图。图片来源：中国科学院高能物理研究所

伽马暴的观测是“拉索”的重要科学目标之一。伽马暴 221009A 的高能辐射信号于 2022 年 10 月 9 日晚 21 时 20 分 50 秒抵达“拉索”的视场范围，在此之后不到 1 个小时的时间内，6 万多个伽马光子被“拉索”以极佳的观测角度收集到，显著性高达 250 倍标准偏差。

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，成果论文于 2023 年 6 月 9 日在线发表于《科学》（Science）杂志。仰仗“拉索”，人类终于第一次完整地“看”到了伽马暴高能余辉辐射从上升到下降的全部演化过程，补足了余辉光变曲线上缺失的那一块拼图。

“拉索”观测到的完整万亿电子伏特能量范围的光变曲线。图片来源：中国科学院高能物理研究所

那么，观测余辉亮度上升的阶段，究竟有怎样的重要意义呢？

“拉索”监测到了余辉发生后数秒内的情况，并根据光变曲线推算出了伽马暴余辉辐射的起始时间。

理论模型对于极早期余辉的一些猜测也可以得到验证。在以前的理论分析中，余辉的第一缕光应该出现在伽马暴瞬时辐射爆发的峰值阶段，这一时刻和其他探测器观测到的伽马暴峰值时刻基本吻合。

“拉索”探测到了余辉光变曲线的上升阶段，给出了从起始到峰值的时间间隔，理论学家就可以根据模型推断出 GRB221009A “火球”的运动速度。相比之下，此伽马暴“火球”喷射的速度更快，洛伦兹因子高达 440，与真空中光速的差异仅为百万分之三！

光变折断，揭示了 BOAT 的奥秘

除以上发现外，“拉索”直接观测到了余辉出现 700 秒后开始的亮度突变，光变曲线存在一个折断的结构，这一现象被认为是看到了“火球”喷流的边缘。

伽马暴的“火球”从何而来？现在的理论都认为是来自中心天体产生的相对论性喷流。中心天体可以是高速旋转的中子星或者黑洞，借助快速旋转形成的极其剧烈的电磁场把一部分引力塌缩的反冲物质沿旋转轴方向抛出，形成如同烟花点燃一样的喷射。如果这些物质的喷射速度接近光速，就会有相对论的集束效应，像一束聚光灯一样把光聚集在一起。

假如“聚光灯光束”的大小比喷流自身要小，而观测者又处在光束之中，那么我们是无法分辨喷流的形状的，因为此时看到的光全是被聚集之后的。

但是喷流无法一直保持一样的速度，当速度降低后，其聚光能力就会减弱，此时我们就可以看到喷流的边缘。它在视觉上的平均亮度也会更低，表现为光度的下降突然变快，出现了一个明显的拐折，或称为折断，这个折断正是喷流形状大小的证据。

以前多个实验也观测到了很多伽马暴的光变折断，但是这些现象往往都出现在余辉出现的几个小时之后。“拉索”这次观测的结果，是人们第一次在数百秒内就看到了余辉的光变折断，是有史以来最早的，这对我们理解喷流及其产生机制有巨大的帮助。

这是因为，只有看到了光变折断，我们才能判断喷流本身的大小，进而推断产生这样的“火球”所需要的条件。

从“拉索”的观测数据中，科学家们推断，这个喷流的半张角仅有 0.8 度。这是迄今知道的最小张角的喷流，意味着观测到的光子实际上来自典型喷流最明亮的核心。正是由于观测者碰巧正对着喷流最明亮的核心，自然地解释了为什么这个伽马暴是历史上最亮的原因，也解释了为什么这样的事件罕见。

光变折断成因示意图。余辉发光具有较强的准直性，观测者最初仅看到锥状“火球”的中间区域，随着“火球”减速，发光准直性降低，视野慢慢扩大，最终看到整个“火球”。图片来源：参考文献[10]

快速上升，仍然未解的谜题

得益于优越的观测能力和极佳的观测角度，“拉索”对 GRB 221009A 这个千年一遇的、有史以来记录到的最亮的伽马暴事件进行了完美的观测，首次实现了伽马暴高能余辉辐射光变曲线的完整测量，直接观测到了余辉辐射的折断现象，解释了此伽马暴最亮的成因，并验证了伽马暴的经典理论。这个观测结果将会在人类伽马暴观测史上留下浓重的一笔。

但这并不是终点。

在光变曲线中，包含了一个快速上升阶段，在不到两秒的时间内伽马暴辐射流量增强了 100 多倍，之后的缓慢增长行为却符合后随爆炸的预期特征。这是国际上首次探测到伽马暴余辉辐射中光子流量的极速增强现象。如此快速的增强超出了以往理论模型的预期。

这里面究竟存在着什么样的机制？

相信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。科学家们会在这一领域继续深耕，为我们揭开更多伽马暴的谜题。

参考文献：

[1] Lesage S, Veres P, Briggs M S, et al. Fermi-GBM discovery of GRB 221009A: An extraordinarily bright GRB from onset to afterglow[J]. arXiv preprint arXiv:2303.14172, 2023.

[2] An Z H, Antier S, Bi X Z, et al. Insight-HXMT and GECAM-C observations of the brightest-of-all-time GRB 221009A[J]. arXiv preprint arXiv:2303.01203, 2023.

[3] Burns E, Svinkin D, Fenimore E, et al. GRB 221009A: The Boat[J]. The Astrophysical Journal Letters, 2023, 946(1): L31.

[4] LHAASO Collaboration. A tera–electron volt afterglow from a narrow jet in an extremely bright gamma-ray burst [J]. Science, 2023. DOI: 10.1126/science.adg9328

[5] Zhang B. The physics of gamma-ray bursts[M]. Cambridge University Press, 2018.

[6] MAGIC Collaboration. Teraelectronvolt emission from the γ-ray burst GRB 190114C[J]. Nature, 2019, 575(7783): 455-458.

[7] HESS Collaboration. Revealing x-ray and gamma ray temporal and spectral similarities in the GRB 190829A afterglow[J]. Science, 2021, 372(6546): 1081-1085.

[8] Bose D, Chitnis V R, Majumdar P, et al. Ground-based gamma-ray astronomy: history and development of techniques [J/OL]. Eur. Phys. J. ST, 2022, 231(1): 3-26. DOI: 10.1140/epjs/s11734-021-00396-3.

[9] arXiv:2305.17030v1 [astro-ph.HE]

[10] Woosley, S. Blinded by the light. Nature 414, 853–854 (2001).

出品：科普中国

作者：黄勇中国科学院高能物理研究所；郑见合南京大学

监制：中国科普博览

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