自1967年首次觀(guān)測到伽馬暴以來(lái)，人類(lèi)至今已探測到近萬(wàn)例伽馬暴。而在這萬(wàn)例伽馬暴中，此次觀(guān)測到的伽馬暴更是獨一無(wú)二，其釋放出的能量不僅較此前觀(guān)測到的伽馬暴都高，而且產(chǎn)生了極為狹窄、極端明亮、接近光速運動(dòng)的噴流，科學(xué)家將其評價(jià)為“千年一遇的重要天文事件”。
大約20億年前，一顆相當于20倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，在燃燒完自身燃料后即將“熄滅”，其坍縮瞬間爆炸形成了巨大的火球，耀眼的“火光”持續了數百秒，仿佛一個(gè)巨大的宇宙煙花。
在經(jīng)歷漫長(cháng)的旅程后，這次爆炸形成的伽馬射線(xiàn)暴（以下簡(jiǎn)稱(chēng)伽馬暴）終于抵達地球。與此同時(shí)，位于四川省稻城縣海子山上的高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測站（又稱(chēng)“拉索”）已睜開(kāi)大大的“眼睛”，目睹了這場(chǎng)絢爛的“宇宙煙花”——人類(lèi)目前觀(guān)測到的史上最亮伽馬暴。6月9日，“拉索”合作組在《科學(xué)》雜志發(fā)表文章，揭開(kāi)了這次史上最亮伽馬暴背后的秘密。
對“后隨爆炸”教科書(shū)般的觀(guān)測
伽馬暴是宇宙中某一方向上伽馬射線(xiàn)瞬時(shí)增強的一種現象。伽馬暴雖不常見(jiàn)，但伽馬射線(xiàn)離我們的生活并不遙遠。作為一種波長(cháng)極短、穿透力極強，同時(shí)又攜帶高能量的原子核射線(xiàn)，伽馬射線(xiàn)在生活中用途廣泛，如癌癥放療中，醫生常用高通量的伽馬射線(xiàn)來(lái)殺死癌細胞。
但是，從宇宙深處到達地球的伽馬暴早已沒(méi)了這樣的“威力”。伽馬暴輻射面積之巨，比數百個(gè)銀河系的范圍還要大，加之動(dòng)輒與地球數十億光年的距離，使得它們的光子通量在抵達地球上空時(shí)已所剩無(wú)幾，只有動(dòng)用最精密的儀器才能夠對其進(jìn)行觀(guān)測。
根據持續時(shí)間的長(cháng)短，伽馬暴被分為長(cháng)暴和短暴。長(cháng)暴的持續時(shí)間在2秒以上，最長(cháng)可達數千秒，通常被認為是大質(zhì)量恒星在核心坍縮爆炸后產(chǎn)生的，此次觀(guān)測到的史上最亮伽馬暴便屬于長(cháng)暴。短暴的持續時(shí)間低于2秒，最短的只能以毫秒計算，往往來(lái)自于兩顆極端致密天體，如中子星、黑洞等的并合爆炸，并且這一過(guò)程時(shí)常伴隨引力波的產(chǎn)生。
伽馬暴之所以能夠被稱(chēng)為“宇宙煙花”，是因為其在短短幾秒內散發(fā)的能量可能比太陽(yáng)百億年壽命中釋放的能量總和還要多。自1967年首次觀(guān)測到伽馬暴以來(lái)，人類(lèi)至今已探測到近萬(wàn)例伽馬暴。而在這萬(wàn)例伽馬暴中，此次觀(guān)測到的伽馬暴更是獨一無(wú)二，其釋放出的能量不僅較此前觀(guān)測到的伽馬暴都高，而且產(chǎn)生了極為狹窄、極端明亮、接近光速運動(dòng)的噴流，科學(xué)家將其評價(jià)為“千年一遇的重要天文事件”。
此外，“拉索”合作組還首次精確觀(guān)測了伽馬暴“后隨爆炸”的完整過(guò)程。伽馬暴的過(guò)程可以被劃分為“主爆”和“后隨爆炸”。此次研究的通訊作者之一、南京大學(xué)教授王祥玉告訴記者，在爆炸初始階段，爆炸后的拋射物是噴流狀結構，但拋射物的速度有快有慢，“當慢的物質(zhì)被快的物質(zhì)追上了，在噴流結構的內部發(fā)生碰撞，這就產(chǎn)生了‘主爆’?！?/p>
在“主爆”發(fā)生后，爆炸產(chǎn)生的物質(zhì)會(huì )繼續向外擴散，與外部環(huán)境中的物質(zhì)發(fā)生進(jìn)一步接觸，進(jìn)而產(chǎn)生新的爆炸，即“后隨爆炸”，也被稱(chēng)為“余輝”?！霸谶@個(gè)過(guò)程中，激波會(huì )將電子加速，并在磁場(chǎng)中發(fā)出同步輻射光，高能電子通過(guò)與同步輻射光子碰撞把能量傳輸給光子，于是就產(chǎn)生了高能光子輻射?！蓖跸橛窠榻B道。
而“拉索”則是在全球范圍內首次探測到了“后隨爆炸”過(guò)程中高能光子的上升過(guò)程，從而做到了對“后隨爆炸”的完整觀(guān)測，實(shí)現了其他實(shí)驗沒(méi)有達到的對高能量波段光變過(guò)程的教科書(shū)式的記錄，為伽馬暴理論模型的精確檢驗打下了堅實(shí)的實(shí)驗基礎。
“拉索”看到了噴流的核心
此次觀(guān)測到的伽馬暴，其亮度比以往最亮伽馬暴還要高幾十倍以上，過(guò)高的光子流量甚至使得多個(gè)國際實(shí)驗的探測器飽和。在此次“拉索”探測到的視場(chǎng)范圍內，共有6萬(wàn)多個(gè)高能伽馬光子被收集到。若把選擇條件降到最低，光子數甚至可以達到10萬(wàn)。
為什么會(huì )這么亮？這是觀(guān)測到該伽馬暴后許多研究者的疑問(wèn)，也是“拉索”合作組此次研究主要回答的問(wèn)題之一。
王祥玉向記者展示的一張“拉索”觀(guān)測到的光變曲線(xiàn)圖顯示，該曲線(xiàn)的頭部和尾部都十分“陡峭”，這意味著(zhù)在觀(guān)測的初始和尾聲階段，光子亮度都發(fā)生了急劇變化。
頭部“陡峭”的曲線(xiàn)表明，到達地球的光子是極速變亮的，在不到2秒的時(shí)間里，“拉索”收到的光子亮了100多倍，超出了以往伽馬暴理論模型的預期。
根據以往理論模型的假設，“后隨爆炸”過(guò)程中高能光子流量的增長(cháng)應該是較為緩慢平穩的。對于這一現象，王祥玉提供了一種可能的理論解釋?zhuān)啊噍x’將能量噴射出去了，按理說(shuō)后續就沒(méi)有能量了，但可能中心天體‘引擎’又重新啟動(dòng)了，為后續噴射注入了新的能量?！?/p>
光變曲線(xiàn)的尾部同樣“陡峭”?！袄鳌焙献鹘M發(fā)現，爆炸開(kāi)始后不到10分鐘，“拉索”收到的光子亮度突然間快速減弱?！斑@可解釋為爆炸后的拋射物是噴流狀的結構，當輻射張角擴展到了噴流的邊緣時(shí)造成亮度快速下降?！蓖跸橛裾f(shuō)。
這個(gè)輻射張角只有0.8度，且正對著(zhù)地球。由于這個(gè)亮度轉折發(fā)生時(shí)間極早，意味著(zhù)“拉索”觀(guān)測到的實(shí)際上是一個(gè)典型內亮外暗噴流的、最明亮的核心，相當于人類(lèi)用眼睛直視著(zhù)一束光的中心光源。這也解釋了為什么這個(gè)伽馬暴是“史上最亮”，也更加凸顯出此次對其成功觀(guān)測是千年難遇的“宇宙級幸運”事件。
完善伽馬暴理論“拼圖”
“拉索”并不是全世界第一個(gè)觀(guān)測到高能段“后隨爆炸”的觀(guān)測設備。在“拉索”建成投入觀(guān)測前，全球其他地區觀(guān)測設施已成功觀(guān)測多次高能光子的“后隨爆炸”，最早的一次是在2018年。
“當時(shí)還覺(jué)得很懊悔，沒(méi)有趕上?！贝舜窝芯客ㄓ嵶髡咧?、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員姚志國告訴記者，雖然沒(méi)趕上前幾次觀(guān)測機會(huì )，但得益于“拉索”對高能段伽馬暴觀(guān)測的絕對優(yōu)勢，“拉索”觀(guān)測到了此前其他觀(guān)測設施沒(méi)看到的“后隨爆炸”上升階段?！按饲吧仙A段的高能段伽馬暴，只是在理論上存在，從來(lái)沒(méi)有看到過(guò)。這次‘拉索’的成功觀(guān)測，可以說(shuō)完善了伽馬暴相關(guān)理論的最后一張‘拼圖’?！蓖跸橛駥Υ舜巍袄鳌钡挠^(guān)測成果給予了高度評價(jià)。
但這張“拼圖”上仍然還有“模糊”的地方。例如，“后隨爆炸”中高能光子快速上升的形成機制仍然需要最終的理論解釋。
但是，借助這張日趨完整的理論“拼圖”，研究人員已可以對伽馬暴形成機制中存在的若干問(wèn)題進(jìn)行深入探討，如關(guān)于伽馬暴噴流的成分組成，當下學(xué)界認為可能的組成有兩種，一種是由常規物質(zhì)組成，另一種則認為伽馬暴噴流是高度磁化的，能量組成是電磁波而非物質(zhì)。
姚志國指出，下一個(gè)可能獲得重要突破的伽馬暴觀(guān)測研究方向是短暴。王祥玉也認為，如果能夠在距離地球很近的區域內發(fā)生短暴，或許也有可能觀(guān)測到高能光子輻射。而這同樣要依賴(lài)于“拉索”?！啊鳌谟^(guān)測短暴上也有優(yōu)勢，短暴發(fā)生時(shí)間非常短，不到2秒。如果靠望遠鏡來(lái)觀(guān)測，等收到預警再轉過(guò)去肯定來(lái)不及，而大視場(chǎng)的‘拉索’可以全天候24小時(shí)不間斷觀(guān)測，就不會(huì )錯過(guò)‘精彩瞬間’?！币χ緡榻B道。
除了對伽馬暴本身繼續進(jìn)行深入研究，“拉索”此次接收到的大量光子，也能夠為其他課題研究提供重要參考。姚志國所在的一個(gè)“拉索”團隊正在利用大量光子數據，對狹義相對論的基本原理進(jìn)行實(shí)驗驗證。狹義相對論認為，同一時(shí)間發(fā)出的、不同能量的光子到達觀(guān)測者的時(shí)間應是一致的，即光速不變性。其中，洛倫茲不變性是狹義相對論的基本假定。通俗來(lái)講，其是指一個(gè)非加速物理系統在作洛倫茲變換時(shí)，相關(guān)的基本物理規律不會(huì )改變。而一些大統一理論模型例如量子引力理論認為，在非常高的能量下，光速會(huì )隨能量變化，即洛倫茲不變性會(huì )發(fā)生破缺。要對光速不變性進(jìn)行精確檢驗，需要獲得能量更高、時(shí)間延遲更短、距離更遠的高能光子。借助“拉索”對此次伽馬暴的觀(guān)測數據，研究者有望對洛倫茲不變性破缺的部分參數給出最強限制。（記者 都 芃）
