中国科学家实现人类首次大质量恒星死亡瞬间天文现象全过程记录

【环球时报-环球网报道 记者 樊巍】一颗质量是太阳20余倍的“超级太阳”恒星，在约20亿年前其核聚变燃料燃烧殆尽，在坍缩的瞬间引发了巨大的爆炸火球，产生了一个持续几百秒的巨大“宇宙烟花”伽马射线暴（以下简称伽马暴）。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，最终于2022年10月9日晚上21时20分50秒刚好抵达中国高海拔宇宙线观测站“拉索”（LHAASO）的视场范围，在这场万年难遇的天文现象中，约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神秘面纱。相关观测研究成果于2023年6月9日在线发表于国际顶级科学杂志《科学》（Science）。参与该项研究的中国科学家近日在接受《环球时报》记者采访时激动之情依旧溢于言表，在这场人类有史以来观测到的最亮的伽马暴过程中，有望产生许多“颠覆性”的发现，相关专家表示，此次观测研究成果将是一次“教科书级别”的成果。

“真的非常幸运”

伽马暴是天体物理学界公认的宇宙中最剧烈的爆发现象，其几秒钟辐射的能量相当于太阳100亿年辐射能量的总和。而经过半个世纪的研究，人们认识到伽马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。人们期望利用伽马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暴自身的物理起源具备深刻的了解。

“太阳同等质量恒星的’死亡‘，也只会是一个’悄无声息‘的过程，它会慢慢失去亮度，变成一颗白矮星，而大质量恒星的死亡，即便是一个很’辉煌‘的过程，造就一颗超新星，也不一定会出现伽马暴。”“拉索”首席科学家、中科院高能物理所研究员曹臻近日在接受《环球时报》记者采访时，用“非常幸运”形容此次“拉索”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的全过程。

在曹臻看来这绝对是一次概率极小的事件，一场持续几百秒的极亮伽玛暴，在经过20亿年的“飞行”来到地球，“拉索”是世界上唯一一个正对伽玛暴射线源的地面探测器，因此得以完美地捕捉到了这场天文奇观。相较而言，德国的“神奇伽马射线望远镜“（MAGIC）需要跟随地球自转六个小时才能获得观测这场极亮伽玛暴的视场，而那时一切早已结束。

北京师范大学天文系高鹤教授介绍称，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。在2022年10月9日的夜晚，这个后来被命名为GRB221009A的伽玛暴被探测到，这也是有记录以来最亮的伽马暴，科学家推断如此亮的伽马暴扫过地球的概率是万年一次。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”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。

在谈及此次发现的重大意义时，论文通讯作者之一，中国科学技术大学教授戴子高告诉《环球时报》记者，科学家在研究自然规律时倾向于去研究极端条件下的自然规律，因为常规条件下的自然规律科学家可以通过实验的方法去进行研究，而伽玛暴就相当于提供了一个极端物理条件下的“实验室”，通过这个“实验室”我们可以观测到各种频段的电磁波辐射、引力波辐射、重粒子辐射等等，从而去认识极端物理条件下的规律，“这些规律用我们以往的知识能否解释，如果不能解释，那么就要推翻旧的认识，去开展新的认识，而这就是不断去认识自然的一种方法。”戴子高称。

与此同时戴子高指出，“拉索”的此次观测又凸显了特殊的意义。他将此次伽马射线暴现象比喻成一个“胚胎”，“拉索”此次采用的TeV观测则完整地发现这个“胚胎”是如何从一个“受精卵”最后成长为一个“胎儿”的过程，“TeV观测就相当于是一个’B超‘，去准确地观察这个过程，这也是我们第一次如此完整的去认识到这样一个过程。”戴子高称。

此次观测收获多项“首次发现”

目前，“拉索”已经从这场伽玛射线暴中记录到6万多个伽马光子，曹臻表示，这是一个惊人的数据，这体现出此次观测到的伽玛暴的亮度非常可观，因为像德国的神奇伽马射线望远镜这样的高能探测器唯一一次，也是最高纪录也只能探测到不到一千个光子。“像蟹状星云这种’标准烛光‘，我们收集了三年的数据还不及这一次几百秒内我们搜集到数据。记录到了6万多个伽马光子，这意味着我们可以做非常精细的研究，能够看到这场伽马暴的一些非常细致的结构，这都是前所未有的。”

据了解，此次观测中，“拉索”首次精确测量高能光子爆发的完整过程。“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。而接近于光速的爆炸物与周围环境气体碰撞就会产生“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。” 曹臻表示，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”实现了其它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。鉴于此次爆发万年不遇的稀缺性，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。

此外，“拉索”还首次测量到高能光子流量快速增强的过程。该论文通讯作者之一、中国科学院高能物理研究所研究员姚志国介绍称，在后随爆炸过程中，“拉索”首次探测到光子流量的极速增强。在不到两秒的时间内流量增强了100多倍，但之后的缓慢增涨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。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。”姚志国称。

在此次万年难遇的观测中，“拉索”还发现了此次伽马射线暴成为历史最亮的秘密。“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。论文通讯作者之一，南京大学教授王祥玉将这种现象解释为是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’拉索‘碰巧正对喷流最明亮的核心，自然也就解释了为什么这个伽马射线暴是有史以来最亮的，也进一步解释了为什么这样的事件极其罕见。” 戴子高表示。

“拉索”在最高能段的记录到的6万多个伽马光子，也被认为将会揭示更多的谜团。“若把选择条件降到最低，记录到的光子数可以达到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表示，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秒以后的“余辉”。截止当下，本场爆炸事件还有其它的许多新发现，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，相信后续会有更多的“拉索”观测数据分析成果。

“现阶段只有中国能干成这件事”

在这场万年难遇的天文奇观中，“拉索”也没有辜负全人类的期望。虽然许多科学家都用“极其幸运”来形容此次观测的罕见程度，但是曹臻同时指出，运气都是留给有准备的人。当这场20亿年前发生的伽玛暴来到地球时，性能卓越的“拉索”没有错过这次“眷顾”。

“’拉索‘的特殊之处在于，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暴的探测。”曹臻表示，“拉索”的优势表现在，它首先可实现24小时不间断探测，其次是完全不受气候条件影响，再者“拉索”具有大视场的特点，一次可观测六分之一天空的范围，而伽马射线望远镜一次只能观测一个点，一颗星。上述这些因素加起来就使得“拉索”成为那个“幸运儿”。

在此次观测活动中，“拉索”出色的运行状态也得以展现。曹臻介绍称，评价一款探测器的好坏有两个关键指标，其一是运行时间，其二是设备的完好率，而在此前“拉索”通过国家验收的过程中，在这两项关键指标上，“拉索”收获了两个98%。“’拉索‘周转一圈，98%的时间都在工作，只有2%的时间未能工作，这是保证我们能捕捉到万年一遇的天文现象的关键，此外，’拉索‘的的完好率始终保持在98%，故障率极低，这也能保证我们可以稳定地探测到罕见的天文现象，如果没有这些过硬的实力，我们可能就会错过这次天文现象，因为它只有短短的几百秒。”

值得一提的是，位于四川省稻城县平均海拔4410米的海子山上，占地面积约1.36平方公里的“拉索”，是由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。规模如此之大的“拉索”仅用四年就建成，于2021年7月全部投入运行。

在曹臻看来，“拉索”恰好是在此次极亮伽马暴到达地球之前建成投入运行，如果施工过程中拖拖拉拉，“拉索”直到2022年才建好，就会错过这个万年一遇的观测机会。“我们仅用四年时间就建成一个如此大规模的探测器，非常不容易，在近期的一场十多个国家参与的国际会议上，许多国外的专家也向我表示，能在这么短的时间内，建成这么大规模，这么复杂的一个观测系统，这个事现在也只有中国人才能干成。”曹臻称。

“拉索”在投入运行之后采用了通用的国际合作模式，实现设施平台与观测数据的开放共享。目前，已有32个国内外天体物理研究机构成为LHAASO的国际合作组成员单位，成员约280人。

“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暴发生全过程进行精确测量。”戴子高认为，通过这次测量科学家们发现几件超出人类原先认知的事情，迄今为止科学界还没完全弄清楚这些现象。“此次观测获得的数据十分宝贵，我们将向全世界分享，供全球科学家进行深层次的研究，对恒星爆炸过程进行进一步的探索，对伽玛暴现象进行更为清楚透彻的理解，相信一定会产生许多新的科研成果。”戴子高称。