中國“拉索”發(fā)現(xiàn)迄今最亮伽瑪暴，揭示背后或存在星系演化新機(jī)制

高海拔宇宙線觀測(cè)站（圖源：中科院高能物理研究所）

最近，伽瑪射線暴又有新發(fā)現(xiàn)，伽瑪射線暴是什么東西？探測(cè)它有什么用呢？今天就和大家聊一聊。

首先我們看一下伽馬射線，它是波長短于0.01埃的電磁波，相比我們?nèi)祟惖目梢姽猓牟ㄩL非常短——足足短了5個(gè)數(shù)量級(jí)。

而伽瑪射線暴是宇宙中大量伽馬射線的突然釋放，它是大質(zhì)量恒星在最后死亡時(shí)候或者兩個(gè)致密天體合并時(shí)候所產(chǎn)生的劇烈現(xiàn)象。對(duì)于它的研究已經(jīng)有半個(gè)多世紀(jì)。

它的發(fā)現(xiàn)極其偶然，最初，在1967年由美國的Vela衛(wèi)星偶然發(fā)現(xiàn)。這些衛(wèi)星本來是為了監(jiān)控核試驗(yàn)禁令的遵守情況而發(fā)射的，因?yàn)楹嗽囼?yàn)會(huì)產(chǎn)生大量的伽馬射線。科學(xué)家們注意到雖然這些未知源能夠產(chǎn)生短暫而強(qiáng)烈的伽瑪射線爆發(fā)，但是它們來自于宇宙而非地球，所以到了1973年的時(shí)候，伽瑪射線暴的發(fā)現(xiàn)被公開報(bào)道了。

隨后的幾年里，科學(xué)家們開始對(duì)這些神秘事件進(jìn)行更為系統(tǒng)的研究，試圖理解它們的本質(zhì)。不過因?yàn)橛^測(cè)設(shè)備的限制，之后的20年內(nèi)它的研究相對(duì)比較緩慢。其間，人們對(duì)伽瑪暴進(jìn)行了簡單分類，主要是基于伽瑪暴的爆發(fā)時(shí)間，可以將伽瑪暴分為長時(shí)標(biāo)的伽瑪暴和短時(shí)標(biāo)的伽瑪暴。

當(dāng)時(shí)間進(jìn)入到上個(gè)世紀(jì)90年的的時(shí)候，美國的康普頓伽瑪射線天文臺(tái)CGRO發(fā)射，它的儀器BATSE記錄了大量的伽瑪暴事件，顯示它們?cè)谟钪嬷惺歉飨蛲苑植嫉?，我們知道我們銀河系為圓盤形，如果是在銀河系內(nèi)爆發(fā)，它應(yīng)該呈現(xiàn)典型的各向異性。所以依此人們推測(cè)伽瑪暴應(yīng)該來自宇宙學(xué)距離上的，而并非我們銀河系內(nèi)的一種爆發(fā)現(xiàn)象。到了90年代末期的時(shí)候，意大利和荷蘭合作的BeppoSAX衛(wèi)星首次成功地將伽瑪暴與它的余輝相聯(lián)系，并確定了伽瑪暴在遙遠(yuǎn)星系中的精確位置。

這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了伽瑪暴是遠(yuǎn)距離的宇宙現(xiàn)象。

而到了本世紀(jì)，伽瑪射線暴研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。隨著更先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡和探測(cè)器，比如swift衛(wèi)星和fermi衛(wèi)星的使用，科學(xué)家們能夠在伽馬射線，X射線、可見光和射電波的不同電磁波段對(duì)伽瑪暴進(jìn)行觀測(cè)。

在本世紀(jì)中，因?yàn)橐恍┬碌挠^測(cè)設(shè)備的投入使用，伽瑪射線暴的研究繼續(xù)發(fā)展，特別是，引力波和中微子觀測(cè)的多信使天文學(xué)的興起，為伽瑪射線暴研究提供了新視角。

2019年建成的中國的大型高海拔宇宙線觀測(cè)站，簡稱拉索，它對(duì)于伽瑪暴的研究就提供了一個(gè)獨(dú)特視角，可以說是伽瑪暴研究波段的拓展。拉索是一個(gè)大型的高能天體物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，位于四川省稻城縣海拔4410米的地方。它建設(shè)的目標(biāo)主要有3個(gè)：

首先它用來探索高能宇宙射線起源、加速機(jī)制及其在銀河系內(nèi)外的傳播過程。其次研究伽瑪射線天文學(xué)。通過觀測(cè)高能伽瑪射線，拉索旨在深入研究伽瑪射線暴、超新星遺跡、活動(dòng)星系核等高能天體現(xiàn)象。最后，拉索還希望尋找到新物理，探索暗物質(zhì)和其他超越標(biāo)準(zhǔn)模型物理的新現(xiàn)象。

在去年的2022年，它對(duì)伽瑪暴GRB 221009A進(jìn)行了觀測(cè)，并且于今年（2023年）發(fā)表了兩篇不同文章，分別對(duì)后兩個(gè)科學(xué)目標(biāo)進(jìn)行了探索。

我們先來看這串?dāng)?shù)字，前面的221009表示日期，字母A表示在當(dāng)天發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)，有時(shí)候會(huì)在一天探索到多個(gè)伽馬暴。2022年 10 月 9 日，拉索記錄到了來自這個(gè)伽馬暴的光子，能量超過 10 TeV。我們所知道的歐洲大型對(duì)撞機(jī)，它可以將粒子加速到接近光速，不過也僅僅達(dá)到幾TeV的能量，所以我們可以看到10TeV的光子能量很高了。

GRB 221009A 是迄今為止觀測(cè)到的最亮的伽馬射線暴，它是由一顆比太陽重 20 多倍的大質(zhì)量恒星在其核燃料耗盡時(shí)坍縮而發(fā)現(xiàn)的。拉索精細(xì)測(cè)量了其萬億電子伏特輻射隨時(shí)間完整的變化行為，確定了其輻射起源于余輝輻射，也就是恒星坍縮噴發(fā)出來的物質(zhì)和周圍的星際物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的，并揭示了這個(gè)伽馬暴歷史最亮的成因，相關(guān)成果已經(jīng)在2023年6月發(fā)表在美國的《科學(xué)》雜志上。

除此之外，科研人員也注意到，即使能量高達(dá) 13 TeV，拉索也沒有觀察到光子流量的快速下降。在標(biāo)準(zhǔn)的伽瑪暴模型中，理論上，隨著光子能量的增加，這種高能輻射的強(qiáng)度迅速降低，因?yàn)槟芰吭礁叩墓庾?，產(chǎn)生的數(shù)量就越少。所以這個(gè)新的發(fā)現(xiàn)對(duì)伽瑪暴標(biāo)準(zhǔn)模型提出了挑戰(zhàn)，并暗示新的高能光子或許產(chǎn)生于新的機(jī)制。

因?yàn)橛钪姹尘肮獾拇嬖冢吣苜ゑR射線光子在到達(dá)地球的漫長旅程中通常會(huì)被整個(gè)宇宙背景的光子吸收掉。光子能量越高的話，吸收會(huì)更嚴(yán)重一些。此次能夠探測(cè)到來自遙遠(yuǎn)伽馬暴的 10 TeV 伽馬射線應(yīng)該是非常罕見的。

根據(jù)拉索測(cè)量，發(fā)現(xiàn)背景光強(qiáng)度遠(yuǎn)低于預(yù)期值。 或者說，紅外波段的背景光強(qiáng)度僅為現(xiàn)有宇宙學(xué)模型估計(jì)值的40% 左右，人們需要重新評(píng)估宇宙中星系的形成和演化了。如果假設(shè)宇宙演化的標(biāo)準(zhǔn)模型，那么高能伽馬射線光子的吸收率出乎意料地低，可能表明存在超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理機(jī)制。 最后這個(gè)發(fā)現(xiàn)文章被發(fā)表在今年（2023年）11月15日的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

總的來說，伽瑪暴GRB 221009A的觀測(cè)是天文學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要成就，它不僅展示了我們探測(cè)和理解宇宙中極端事件能力的提升，為我們提供了寶貴的數(shù)據(jù)來測(cè)試和發(fā)展現(xiàn)有的科學(xué)理論。與此同時(shí)，它也說明觀測(cè)工具對(duì)于宇宙探索的重要性。

我記得有人曾經(jīng)說過，90%的天文發(fā)現(xiàn)都依賴于設(shè)備的進(jìn)步。在上個(gè)世紀(jì)40年代的時(shí)候，美國就已經(jīng)有了5米口徑的海爾望遠(yuǎn)鏡了，而我們國內(nèi)目前還沒有這樣的望遠(yuǎn)鏡，我們還主要是利用2米多的一些望遠(yuǎn)鏡，不過值得欣慰的是，我們國家的研究人員已經(jīng)在籌劃一些類似或者更大的望遠(yuǎn)鏡了，所以希望未來我們能夠有一些更好的設(shè)備來幫助我們探索這個(gè)神奇的宇宙。

本文為科普中國·星空計(jì)劃扶持作品

作者：茍利軍 中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員

審核：韓文標(biāo) 中國科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員

出品：中國科協(xié)科普部

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