宇宙里最亮的“烟花”，我们是怎么“看见”的？

2022年10月9日，宇宙中有一次非常震撼、美丽的“烟花”绽放。

科学家专门给这个“宇宙烟花”取了一个名字"船"（BOAT），也就是“brightest of all time”，即“有史以来最亮”的意思。

这就是迄今发现的最亮伽马射线暴——GRB 221009A。

迄今发现的最亮伽马射线暴（GRB 221009A）想象图，供图@中国科学院高能物理研究所

这样亮度的伽马射线暴极为少见，发生概率几乎是万年一遇。（也有保守的研究人员说，至少是千年一遇。）

然而，出现概率这么低的壮丽“宇宙烟花”，被我国的科研人员“看见”了。

他们是如何“看见”的？

伽马射线暴，产生于特别极端的物理环境

到底什么是伽马射线暴？

伽马射线暴简称伽马暴，是指来自天空中某一方向的伽马射线强度在短时间内突然增强，随后又减弱的现象。
伽马射线暴是宇宙大爆炸之后最剧烈的天体爆炸现象，它在一秒钟内释放的能量，相当于太阳大约50亿年所释放的能量总和，其几秒钟辐射的能量相当于太阳100亿年辐射能量的总和，因此被称为宇宙中最强大的事件。

伽马射线暴分两种：一种为短暴，持续时间在2秒以内，通常来自很少有恒星形成的区域；一种称为长暴，它们的持续时间长于2秒，有的达到几十秒至数分钟，甚至是更长的时间，此次发现的伽马射线暴即属于此类。

科学家一般认为，长暴产生于很大质量恒星的核心坍缩爆炸，与形成中子星或黑洞有关，这就是很多人猜测这次的GRB 221009A可能形成了一个新生黑洞的原因。

自从1967年人类发现首个伽马射线暴以来，已探测到近万例伽马射线暴。经过半个世纪的研究，人们认识到伽马射线暴产生于特别极端的物理环境，比如极高的磁场、极强的引力、极快的速度等等，伽马射线暴由此成为天体物理甚至基础物理领域青睐的极端物理实验室。

目前科学家还没有在银河系内观测到伽马射线暴现象，这些能量强大的射线都来自遥远的宇宙深处。它们的真面目如何？人类依旧知之甚少。科学家们期望利用伽马射线暴研究宇宙的演化历史、重元素的起源以及相对论的正确性等重大问题，而在这之前必须对伽马射线暴自身的物理起源具备深刻的了解。这就是现在很多天体物理、宇宙物理的研究者们非常关注伽马射线暴的重要原因。

2022年10月9日观测到的伽马射线暴，是科学界一场空前的盛宴。当天的北京时间21时16分59.59秒，NASA（美国国家航空航天局）的费米伽马射线空间望远镜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。而后全球众多天文设施均探测到GRB 221009A。

编号为GRB 221009A的伽马射线暴源自于天箭座方向的天空。图片来源@International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/B.O'Connor (UMD/GWU) & J. Rastinejad & W Fong (Northwestern Univ)

在这么多天文设施里，中国科研团队进行了国际最高精度的测量。

天地协同“看烟花”

工欲善其事必先利其器。在很多科学领域，随着研究设备的门槛越来越高，这句话越来越成为至理名言，前沿的宇宙探索领域更是如此。

长期以来，由于观测和研究设备的落后，我国在这方面取得的前沿科技成果的水平和发达国家相差一大截，所开展的一些研究也只能是重大科研成果的后续跟随研究（这样的研究成果绝大多数时候价值和意义都要大打折扣）。

但是，随着中国越来越多的重大科技基础设施的建设，这一局面正在改变。

在本次最亮伽马射线暴探测中，中国科学院高能物理研究所牵头建造的“拉索”、高能爆发探索者(HEBS)卫星和慧眼(Insight-HXMT)卫星也参与其中，它们同时探测到了这个伽马射线暴，实现了跨越11个量级的宽能量范围天地协同观测。

它们联合对该伽马暴从主暴到耀发以及早期余辉的各个关键阶段的辐射性质，进行了国际最高精度的测量。

我国的研究发现，此伽马暴亮度是人类此前观测最亮伽马暴的50倍。（国外射电数据显示，GRB 221009A要比以前观测到的任何伽马射线暴亮度高70倍。）

中国卫星发现最亮伽马暴示意图 供图@中国科学院高能物理研究所

慧眼卫星观测伽马射线暴（GRB 221009A），在伽马射线暴发生前后，慧眼卫星恰好在对该天区进行扫描观测，绿色点线代表望远镜指向的扫描轨迹。供图@中国科学院高能物理研究所

我国高海拔宇宙线观测站（简称“拉索”，LHAASO）发挥了重要作用，科研人员通过它在20多分钟内收集到6万多个伽马光子，首次完整记录了万亿电子伏特伽马射线爆发全过程，这是人类从未有过的壮举。可以说，中国科学家领导的研究团队利用它登上了天体物理研究的前沿位置。

“若把选择条件降到最低，光子数可以达到10万！” 论文通讯作者之一、中国科学院高能物理研究所研究员查敏说，对比同能区其它实验装置，甚至是专门设计来追踪伽马暴的设备，它们测到的光子数目仅在千个以下的水平，且都只测到了爆炸过后60秒以晚的余辉（什么是余辉，下面会讲）。

“拉索”的探测结果这么好，是巧合吗？

“拉索”为什么这么牛？这次它为何拔得“头筹”？这是很多人立马就会提出的疑问。

现在我们就来好好回答一下这个问题。

“拉索”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。其由我国科学家自主设计，2017年开始建设，于2021年7月全部投入运行。

这是一个规模庞大的宇宙线探测阵列：由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这三种阵列组成，占地面积达到1.36平方公里左右。

“拉索”是目前世界上海拔最高、规模最大，也是灵敏度最强的伽马射线探测装置。它的任务是接住从外太空奔赴地球的宇宙射线，让科学家借此发现宇宙深处的未知世界，破解宇宙射线起源的谜题。

建设“拉索”为什么要选这么高的海拔？因为高能宇宙线、伽马射线进入大气层，非常容易被大气吸收，而高海拔的地方，空气稀薄，建观测站更容易实现对宇宙线、伽马射线的探测，并且在这里进行探测完全不受天气和气候条件的影响，可以实施一天24小时连续不断的探测。

航拍“拉索”供图@中国科学院高能物理研究所

很多人还会问，GRB 221009A余晖最好的探测成果怎么恰巧会被“拉索”捕捉到？这是不是太巧了？

这不是巧合，“拉索”没有错过这道送上门的科研大餐，与“拉索”自身强悍的观测能力也有很大的关系。

GRB 221009A发生时，过高的光子流量使得多个国际实验的探测器发生了饱和。所以，尽管地球上的其他很多天基和地基观察设备也都观测到了GRB 221009A，却没有获得“拉索”一样的观测效果。部分低海拔的天文台，因为大气层的影响，观测更是困难。而“拉索”处于高海拔位置，并且是新建的宇宙线观测装置，与世界同类装置相比，具有强悍的探测能力。

“拉索”因为规模巨大，在宇宙线探测时还具有极其广阔的“视野”。用“拉索”项目首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻的说法就是“它张眼一看，就能看到1/6的天空”。来自宇宙深处的信息被“拉索”捕捉到概率并不算太低。而常规的伽马射线望远镜一次只能观测一个点，或者是一颗星，这样能够撞上大运的概率自然要低很多。

由于“拉索”具有很好的灵敏度，只要进入它的视野范围，即使只有一个光子都能被它捕捉到。在它之前，人类还没有如此高灵敏度的地面设备去开展伽马射线暴的探测，并且国外相同能区的观测装置目前还没有实现完整记录伽马射线暴全过程。这也是“拉索”本次取得高质量探测成果的特殊之处。

据悉，本次论文发表的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具有精确的测量能力，且具有宽视场、全天候的特点，对伽马射线暴这样的突发天体现象的捕捉式观测具有突出的优势。

当伽马射线进入大气层，会产生许多次级粒子，就像一场粒子“阵雨”。“拉索”的水切伦科夫探测器阵列犹如全年无休的“集雨”装置，就可以捕获它们。

“拉索”以超过250倍标准偏差的高显著水平观测到了伽马射线暴GRB 221009A的爆发，图片来源@中国科学院高能物理研究所

虽然“拉索”不是最先发现GRB 221009A，但“硬件”最好的它获得了最好的观测成果。它对这次持续几百秒的伽马射线暴，从开始阶段就精确记录，并得到了完整、准确的观测数据。以至于欧洲一个伽马射线暴观测站的负责人对曹臻开玩笑，说“上帝太偏心了！”

伽马射线暴抵达高海拔宇宙线观测站瞬间模拟图，供图@中国科学技术大学梁琰团队

“拉索”揭开GRB 221009A史上最亮之谜

GRB 221009A是截止目前探测到的伽马射线暴中中最为独特的一个。与以前发现的典型伽马射线暴相比，它距地球约24亿光年，要比其他伽马射线暴近得多。在宇宙的尺度中，这样的距离和地球并不是太遥远。但是它的亮度极高，完全打破了以前的观测记录。

它的“最亮”大概与和地球的距离相对较近有很大的关系，不过，中国的科学家们发现，这背后还有着另外的原因。

GRB 221009A发生时，其通过极强引力吞噬周围物质并以接近光速从两极喷射物质，形成一对相反方向的喷流。只有喷流恰好对准地球时，人类才有机会探测到这些辐射。

通过研究，科学家们认为，“拉索”观测到的伽马光子来源于大质量恒星主爆之后的后随爆炸。伽马射线暴事件的主爆，即喷流内部的激波或磁场湮灭（磁重联）等过程加速带电粒子产生伽马射线辐射，也称为瞬时辐射，是初始阶段的巨大爆炸，会表现为强烈的低能伽马射线辐射。紧接着，初爆形成的接近于光速扩张的喷流体与周围的星际介质碰撞产生后随爆炸，这种随后爆炸也称为余辉。

“拉索”首次精确地观测了GRB 221009A事件的完整过程，在TeV能区对伽马射线暴最早余辉进行了非常重要的、突破性的观测。其发现了GRB 221009A余辉辐射过程的快速增长现象和快速衰减现象，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。

其中，流量衰减阶段出现明显拐折，流量快速减小，可以推测此次爆炸的抛射物是喷流状的结构，喷流张角异常狭窄，似乎是从爆炸里发出的就像针尖一样的一个光束，当辐射张角扩展到了喷流的边缘时造成亮度快速下降。

通过计算喷流张角仅有0.8度，这是迄今知道的最小张角喷流。就像喷水管那样，水流越细，喷得越远，并直喷流接指向地球。

GRB 221009A爆发时刻在“拉索”视场中的位置 供图@中国科学院高能物理研究所

在此前的流量增强阶段，“拉索”也首次观测到了极速增强的现象，在最初不到两秒的时间内，流量增强了100多倍，这超出了以往理论模型的预期。

此次“拉索”的观测结果还表明，高能辐射在起爆之后不到10分钟的某个时刻，亮度突然出现快速减弱的，由于这个亮度转折发生时间极早，意味着“拉索”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评价说，“‘拉索’首次在TeV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。”

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，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。

此外，在这个伽马射线暴事件持续的10分钟内，“拉索”记录到的光子数也超过了过去几年对“标准烛光”蟹状星云观测积累。

伽马射线暴的成分，图片来源@中国科学院高能物理研究所

天文学家认为，新发现的GRB 221009A很可能代表着一颗新黑洞的诞生。当黑洞形成时，会驱动强大的粒子喷流。这些粒子喷流被加速到接近光速的速度，然后穿过前身星的残骸，在流入太空时发射出X射线和伽马射线。当这些喷流的方向大致指向地球时，就能以明亮的X射线和伽马射线闪光的形式被探测到。

从科学探索的角度而言，此次“拉索”的观测是人类首次有机会对大质量恒星死亡瞬间产生的伽马射线暴高能辐射全过程进行精确测量。曹臻表示，这是人类第一次完整记录大质量恒星死亡瞬间万亿电子伏特伽马射线爆发全过程，将大大增进人类对伽马射线暴辐射机制以及喷流结构等方面的理解。

今年5月10日，经过8年预研、4年建设，“拉索”通过国家验收，正式投入运行。在还没有正式投入运行的时候，“拉索”就有了如此重大的观测突破，这充分证明了“拉索”的卓越性能。

验收委员会认为，“拉索”的建成运行，使之成为目前国际粒子天体物理三大实验设施之一，对促进该领域实现重大原创突破、带动前沿交叉相关学科发展和国际合作具有重要意义。

作为110年来人类研究宇宙线的最大实验装置之一，“拉索”已经将伽马天文学研究带入了人类从未观测过的新波段。其实尚未完全建成时，“拉索”就已发现了超过1PeV（拍电子伏特，P是1015）的超高能宇宙粒子。未来十几年，它将与我国以及国外的其它天地探测设备协作，助力科学家拨开宇宙线起源的迷雾。

关于伽马暴，还有更多的秘密需要揭开

GRB 221009A爆炸事件也是研究的一个富矿，现在该事件依旧有很多问题让全球的研究人员在挠头。

凭借以前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。GRB 221009A让科学家们意识到，以前建立的伽马射线暴理论模型依旧不完整。

国外一些研究者惊讶地发现，无线电数据显示在较长的时间里GRB 221009A喷流随着时间平稳而相当缓慢地演化，随着时间的推移而逐渐消失，与现有模型显示能量快速跳跃的矛盾无法解释。

为什么GRB 221009A事件发生以后的喷流会如此狭窄？一直没有可靠的解释。美国亚利桑那大学图森分校的天文学家凯特·亚历山大说，“已经工作了25年的余辉模型不能完全解释这个喷流”。

真的有一个新黑洞诞生吗？

GRB 221009A事件发生以后，科学家们认为其可能会形成一颗超新星，不过到目前为止还没有发现这颗超新星的踪迹，天文学家还正在搜寻之中。天文学家们也需要更多的伽马射线暴与超新星成协系统，来全面探究伽马射线暴与超新星的产生机制。

有研究者认为，如果能够排除是中子星合并（这个不太可能的选项），那么最有可能的就是新形成的黑洞直接吞噬了爆炸产生的碎片，让超新星胎死腹中了，但这样的猜想还需要更为可靠的证据支持。

天文学家们说，探测到GRB 221009A是人类的幸运。这次伽马射线暴最壮观的那一段也就几百秒的时间，对于以亿年为时间单位的宇宙来说，这是极其短暂的一瞬间，是宇宙中最靓丽的“烟花”，虽然我们的肉眼无法看到它的存在，却恰好被人类最清晰的“摄像头”捕捉到了。希望对它的研究能为我们揭开更多宇宙的秘密。

参考资料：

https://svs.gsfc.nasa.gov/14227

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/nasa-s-swift-fermi-missions-detect-exceptional-cosmic-blast

http://www.ihep.cas.cn/xwdt2022/cmsm/2023/202303/t20230330_6720319.html

http://www.hnskxy.com/info/1006/4364.htm

http://www.ihep.cas.cn/lhaaso/zyxw/202306/t20230609_6775760.html

http://www.ihep.cas.cn/lhaaso/zyxw/202210/t20221018_6533180.html

作者：李鹏

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