出品:科普中國(guó)
(資料圖片僅供參考)
作者:黃勇(中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所) 鄭見合(南京大學(xué))
北京時(shí)間2022年10月9日晚,美國(guó)費(fèi)米衛(wèi)星探測(cè)到來自外太空的一個(gè)伽馬射線暴(以下簡(jiǎn)稱伽馬暴)事件,命名為GRB 221009A。此伽馬暴巨大的輻射流量導(dǎo)致了多數(shù)國(guó)際空間衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)探測(cè)器探測(cè)能力的飽和,造成了儀器的短暫失靈或數(shù)據(jù)堆積。
隨后,經(jīng)過全球多個(gè)探測(cè)器的對(duì)比分析,天文學(xué)家們一致認(rèn)為,這是人類歷史上記錄到的最亮的伽馬暴,比第二位的要亮50倍左右,并由此起名BOAT(brightest of all time)。
在這次爆發(fā)期間,我國(guó)的高海拔宇宙線觀測(cè)站(LHAASO,中文簡(jiǎn)稱“拉索”)表現(xiàn)出色,獲取了極高質(zhì)量的萬(wàn)億電子伏特觀測(cè)數(shù)據(jù),不僅首次描繪出了伽馬暴萬(wàn)億電子伏特余輝的光度上升階段,還發(fā)現(xiàn)了極早期余輝的光變折斷現(xiàn)象。
高海拔宇宙線觀測(cè)站
(圖片來源:中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所)
伽馬暴,恒星消亡的絕唱
伽馬暴是天空中突然出現(xiàn)的伽馬射線爆發(fā)的現(xiàn)象。
自1967年首次被發(fā)現(xiàn)后,伽馬暴的起源一直困擾著天文學(xué)家。地面上的伽馬射線一般來自放射性元素,因此地球上的伽馬射線爆發(fā)往往與劇烈的核爆相關(guān)。但是天空中恒星的核反應(yīng)較為穩(wěn)定,不會(huì)有突然的爆發(fā)現(xiàn)象。
天空中的伽馬暴來自什么天體?它們處在我們的銀河系還是遙遠(yuǎn)的宇宙?為什么這些伽馬射線會(huì)爆發(fā)性地產(chǎn)生又快速消失?
相關(guān)的問題直到20世紀(jì)90年代才有了明確的答案。1997年,由于BeppoSAX衛(wèi)星提供了很好的X射線余輝的定位,伽馬暴被證實(shí)來自遙遠(yuǎn)的星系,伽馬暴的相對(duì)論性火球模型也得到了多方面的證實(shí)。
伽馬暴的秘密終于被人們揭開:伽馬暴起源于一個(gè)以接近光速運(yùn)動(dòng)的“火球”,“火球”中包含了大量的伽馬光子和正負(fù)電子對(duì)。由于“火球”中的強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境,高能電子可以通過同步輻射等機(jī)制產(chǎn)生伽馬射線。
這一次,“拉索”接收到伽馬射線的過程是這樣的:
約20億年前,一個(gè)大質(zhì)量恒星核聚變?nèi)剂虾谋M,由引力作用導(dǎo)致塌縮,噴射出極窄的錐狀的“火球”。“火球”中產(chǎn)生大量的高能伽馬光子,這些高能光子恰好朝著地球的方向飛行,越過24億光年的距離到達(dá)地球。這些高能光子在到達(dá)地球時(shí)已經(jīng)發(fā)散到幾千個(gè)銀河系的范圍,最終只有極少量的伽馬光子能夠擊中地球。
當(dāng)伽馬光子進(jìn)入大氣層后,會(huì)和地球大氣中的原子核碰撞,碎裂成一對(duì)正負(fù)電子。正負(fù)電子與大氣原子核碰撞,產(chǎn)生稍低能量的光子。這些光子繼續(xù)碎裂,如此往復(fù),原本的一個(gè)伽馬光子迅速化成一簇,枝繁葉茂,愈加壯大,單個(gè)粒子的能量則越來越低,直至能量分散耗盡,不再發(fā)生作用。
北京時(shí)間2022年10月9日晚上21點(diǎn)21分,伽馬光子陸續(xù)到達(dá)地球,進(jìn)入大氣,一道道空氣簇射轟擊地表,可惜人眼無法分辨這些壯觀的簇射?!袄鳌蹦慷昧艘磺?,人類便利用“拉索”穿越20億年,去解讀那顆24億光年外的恒星的秘密。
一個(gè)高能伽馬事例擊中“拉索”,藝術(shù)加工圖
(圖片來源:中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所,由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)研究中心制作)
余輝,解密伽馬暴的絕佳探針
“拉索”是怎樣解讀那顆恒星的秘密的?這要從伽馬暴的余輝說起。
當(dāng)伽馬暴噴射的“火球”與星際介質(zhì)(如塵埃、氣體)碰撞之后,會(huì)加速包括電子、原子核等在內(nèi)的粒子。其中,高能電子會(huì)輻射出包括射電、紅外、可見光、紫外、X射線、伽馬射線在內(nèi)的各種波段的電磁波,猶如彩虹一樣在天空中持續(xù)幾個(gè)小時(shí)、數(shù)天甚至數(shù)月,這一現(xiàn)象被稱為“余輝”。
錐狀“火球”與星際介質(zhì)作用產(chǎn)生的余輝
(圖片來源:中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所,由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)研究中心制作)
余輝過程剛開始,伽馬光子會(huì)以越來越快的速度持續(xù)產(chǎn)生,產(chǎn)生光子的數(shù)量在非常短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大。這個(gè)過程中“火球”的能量逐漸損失,輻射光子的數(shù)量增加也逐漸放緩。
在“拉索”的“眼”里,天空被突然點(diǎn)亮,然后逐漸暗淡,“拉索”可以“感受”到伽馬射線暴亮度變化。伽馬光子擊中地球的過程,就像夏天的驟雨,來得迅猛,去得悠長(zhǎng)。科學(xué)家用“光變曲線”描述余輝亮度隨時(shí)間變化的過程,包含亮度上升和下降兩個(gè)主要階段。
余輝的發(fā)現(xiàn)和觀測(cè)給伽馬暴的研究帶來了突破性的進(jìn)展。相比于只持續(xù)很短時(shí)間的伽馬暴火球內(nèi)部相互作用產(chǎn)生的輻射(稱作瞬時(shí)輻射),余輝持續(xù)的時(shí)間更長(zhǎng),輻射的波段更豐富,能夠給人類提供關(guān)于伽馬暴“火球”更全面的信息。
幾十年來,天文學(xué)家已經(jīng)從射電、光學(xué)、X射線、伽馬射線等多個(gè)波段觀測(cè)到了近萬(wàn)個(gè)伽馬暴的余輝,基本上已經(jīng)完善了余輝的圖像。但是對(duì)余輝的起始過程,即亮度逐漸增強(qiáng)的階段,天文學(xué)家觀測(cè)到的情況并不多。
這是因?yàn)椋炼壬仙A段的延續(xù)時(shí)間非常短,大概只有幾十秒左右,需要儀器快速瞄準(zhǔn)實(shí)施跟蹤觀測(cè)才能實(shí)現(xiàn)。而且,由于輻射流量隨能量的提高會(huì)迅速下降,天文學(xué)家從未在高能段觀測(cè)到余輝亮度的上升。
這個(gè)沒觀測(cè)到的波段,是否蘊(yùn)藏著新的秘密?
“拉索”,首次實(shí)現(xiàn)高能余輝輻射的完整觀測(cè)
2018年以來,已經(jīng)有兩個(gè)大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了3次伽馬暴萬(wàn)億電子伏特(TeV)能量范圍的余輝。但由于望遠(yuǎn)鏡需要一定的時(shí)間轉(zhuǎn)到伽馬暴的方向,它們只看到了余輝的下降階段,并沒有描繪出高能余輝完整的時(shí)間演化圖景。
但“拉索”不一樣。“拉索”有三個(gè)優(yōu)勢(shì),讓我們有更多的機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)伽馬暴余輝更好的觀測(cè)。
一是從千億到十萬(wàn)億電子伏特能量范圍超高的靈敏度。“拉索”的水切倫科夫探測(cè)器陣列的全覆蓋面積高達(dá)78000平方米,是國(guó)際同類探測(cè)器的4倍,可以觀測(cè)非常微弱的伽馬射線暴信號(hào)。
二是寬廣的觀測(cè)視場(chǎng)。“拉索”可以同時(shí)觀測(cè)1/6的空間范圍,是望遠(yuǎn)鏡裝置的數(shù)百倍,無需旋轉(zhuǎn)就可以捕捉到更多的伽馬暴。
**三是全天候的工作狀態(tài)。**無論是白天還是晚上,晴天還是降雨,“拉索”都可以持續(xù)觀測(cè),不必像望遠(yuǎn)鏡那樣只能在晴朗的夜里工作。
“拉索”水切倫科夫探測(cè)器陣列示意圖
(圖片來源:中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所)
伽馬暴的觀測(cè)是“拉索”的重要科學(xué)目標(biāo)之一。伽馬暴221009A的高能輻射信號(hào)于2022年10月9日晚21時(shí)20分50秒抵達(dá)“拉索”的視場(chǎng)范圍,在此之后不到1個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi),6萬(wàn)多個(gè)伽馬光子被“拉索”以極佳的觀測(cè)角度收集到,顯著性高達(dá)250倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。
經(jīng)過幾個(gè)月的分析,科學(xué)家們終于揭開了這場(chǎng)爆炸事件的面紗,成果論文于2023年6月9日在線發(fā)表于Science雜志。仰仗“拉索”,**人類終于第一次完整地“看”到了伽馬暴高能余輝輻射從上升到下降的全部演化過程,**補(bǔ)足了余輝光變曲線上缺失的那一塊拼圖。
“拉索”觀測(cè)到的完整萬(wàn)億電子伏特能量范圍的光變曲線
(圖片來源:中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所)
那么,觀測(cè)余輝亮度上升的階段,究竟有怎樣的重要意義呢?
“拉索”監(jiān)測(cè)到了余輝發(fā)生后數(shù)秒內(nèi)的情況,并根據(jù)光變曲線推算出了伽馬暴余輝輻射的起始時(shí)間。
**理論模型對(duì)于極早期余輝的一些猜測(cè)也可以得到驗(yàn)證。**在以前的理論分析中,余輝的第一縷光應(yīng)該出現(xiàn)在伽馬暴瞬時(shí)輻射爆發(fā)的峰值階段,這一時(shí)刻和其他探測(cè)器觀測(cè)到的伽馬暴峰值時(shí)刻基本吻合。
“拉索”探測(cè)到了余輝光變曲線的上升階段,給出了從起始到峰值的時(shí)間間隔,理論學(xué)家就可以根據(jù)模型推斷出GRB221009A“火球”的運(yùn)動(dòng)速度。相比之下,此伽馬暴“火球”噴射的速度更快,洛倫茲因子高達(dá)440,與真空中光速的差異僅為百萬(wàn)分之三!
光變折斷,揭示了BOAT的奧秘
除以上發(fā)現(xiàn)外,“拉索”直接觀測(cè)到了余輝出現(xiàn)700秒后開始的亮度突變,光變曲線存在一個(gè)折斷的結(jié)構(gòu),這一現(xiàn)象被認(rèn)為是看到了“火球”噴流的邊緣。
伽馬暴的“火球”從何而來?現(xiàn)在的理論都認(rèn)為是來自中心天體產(chǎn)生的相對(duì)論性噴流。中心天體可以是高速旋轉(zhuǎn)的中子星或者黑洞,借助快速旋轉(zhuǎn)形成的極其劇烈的電磁場(chǎng)把一部分引力塌縮的反沖物質(zhì)沿旋轉(zhuǎn)軸方向拋出,形成如同煙花點(diǎn)燃一樣的噴射。如果這些物質(zhì)的噴射速度接近光速,就會(huì)有相對(duì)論的集束效應(yīng),像一束聚光燈一樣把光聚集在一起。
假如“聚光燈光束”的大小比噴流自身要小,而觀測(cè)者又處在光束之中,那么我們是無法分辨噴流的形狀的,因?yàn)榇藭r(shí)看到的光全是被聚集之后的。
但是噴流無法一直保持一樣的速度,當(dāng)速度降低后,其聚光能力就會(huì)減弱,此時(shí)我們就可以看到噴流的邊緣。它在視覺上的平均亮度也會(huì)更低,表現(xiàn)為光度的下降突然變快,出現(xiàn)了一個(gè)明顯的拐折,或稱為折斷,這個(gè)折斷正是噴流形狀大小的證據(jù)。
以前多個(gè)實(shí)驗(yàn)也觀測(cè)到了很多伽馬暴的光變折斷,但是這些現(xiàn)象往往都出現(xiàn)在余輝出現(xiàn)的幾個(gè)小時(shí)之后?!袄鳌边@次觀測(cè)的結(jié)果,是人們第一次在數(shù)百秒內(nèi)就看到了余輝的光變折斷,是有史以來最早的,這對(duì)我們理解噴流及其產(chǎn)生機(jī)制有巨大的幫助。
這是因?yàn)椋?strong>只有看到了光變折斷,我們才能判斷噴流本身的大小,進(jìn)而推斷產(chǎn)生這樣的“火球”所需要的條件。
從“拉索”的觀測(cè)數(shù)據(jù)中,科學(xué)家們推斷,這個(gè)噴流的半張角僅有0.8度。這是迄今知道的最小張角的噴流,意味著觀測(cè)到的光子實(shí)際上來自典型噴流最明亮的核心。正是由于觀測(cè)者碰巧正對(duì)著噴流最明亮的核心,自然地解釋了為什么這個(gè)伽馬暴是歷史上最亮的原因,也解釋了為什么這樣的事件極其罕見。
光變折斷成因示意圖。余輝發(fā)光具有較強(qiáng)的準(zhǔn)直性,觀測(cè)者最初僅看到錐狀“火球”的中間區(qū)域,隨著“火球”減速,發(fā)光準(zhǔn)直性降低,視野慢慢擴(kuò)大,最終看到整個(gè)“火球”。
(圖片來源:參考文獻(xiàn)[10])
快速上升,仍然未解的謎題
得益于優(yōu)越的觀測(cè)能力和極佳的觀測(cè)角度,“拉索”對(duì)GRB 221009A這個(gè)千年一遇的、有史以來記錄到的最亮的伽馬暴事件進(jìn)行了完美的觀測(cè),首次實(shí)現(xiàn)了伽馬暴高能余輝輻射光變曲線的完整測(cè)量,直接觀測(cè)到了余輝輻射的折斷現(xiàn)象,解釋了此伽馬暴最亮的成因,并驗(yàn)證了伽馬暴的經(jīng)典理論。這個(gè)觀測(cè)結(jié)果將會(huì)在人類伽瑪暴觀測(cè)史上留下濃重的一筆。
但這并不是終點(diǎn)。
在光變曲線中,包含了一個(gè)快速上升階段,在不到兩秒的時(shí)間內(nèi)伽馬暴輻射流量增強(qiáng)了100多倍,之后的緩慢增長(zhǎng)行為卻符合后隨爆炸的預(yù)期特征。這是國(guó)際上首次探測(cè)到伽馬暴余輝輻射中光子流量的極速增強(qiáng)現(xiàn)象。如此快速的增強(qiáng)超出了以往理論模型的預(yù)期。
這里面究竟存在著什么樣的機(jī)制?
相信此次發(fā)表的觀測(cè)結(jié)果將會(huì)引發(fā)科學(xué)界對(duì)伽馬射線暴能量注入、光子吸收、粒子加速等機(jī)制的深入探討??茖W(xué)家們會(huì)在這一領(lǐng)域繼續(xù)深耕,為我們揭開更多伽馬暴的謎題。
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標(biāo)簽:
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