◎本報(bào)記者 都 芃

(相關(guān)資料圖)

自1967年首次觀測到伽馬暴以來，人類至今已探測到近萬例伽馬暴。而在這萬例伽馬暴中，此次觀測到的伽馬暴更是獨(dú)一無二，其釋放出的能量不僅較此前觀測到的伽馬暴都高，而且產(chǎn)生了極為狹窄、極端明亮、接近光速運(yùn)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(dāng)于20倍太陽質(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(xù)了數(shù)百秒，仿佛一個(gè)巨大的宇宙煙花。

在經(jīng)歷漫長的旅程后，這次爆炸形成的伽馬射線暴（以下簡稱伽馬暴）終于抵達(dá)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觀測站（又稱“拉索”）已睜開大大的“眼睛”，目睹了這場絢爛的“宇宙煙花”——人類目前觀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，揭開了這次史上最亮伽馬暴背后的秘密。

對“后隨爆炸”教科書般的觀測

伽馬暴是宇宙中某一方向上伽馬射線瞬時(shí)增強(qiáng)的一種現(xiàn)象。伽馬暴雖不常見，但伽馬射線離我們的生活并不遙遠(yuǎn)。作為一種波長極短、穿透力極強(qiáng)，同時(shí)又?jǐn)y帶高能量的原子核射線，伽馬射線在生活中用途廣泛，如癌癥放療中，醫(yī)生常用高通量的伽馬射線來殺死癌細(xì)胞。

但是，從宇宙深處到達(dá)地球的伽馬暴早已沒了這樣的“威力”。伽馬暴輻射面積之巨，比數(shù)百個(gè)銀河系的范圍還要大，加之動(dòng)輒與地球數(shù)十億光年的距離，使得它們的光子通量在抵達(dá)地球上空時(shí)已所剩無幾，只有動(dòng)用最精密的儀器才能夠?qū)ζ溥M(jìn)行觀測。

根據(jù)持續(xù)時(shí)間的長短，伽馬暴被分為長暴和短暴。長暴的持續(xù)時(shí)間在2秒以上，最長可達(dá)數(shù)千秒，通常被認(rèn)為是大質(zhì)量恒星在核心坍縮爆炸后產(chǎn)生的，此次觀測到的史上最亮伽馬暴便屬于長暴。短暴的持續(xù)時(shí)間低于2秒，最短的只能以毫秒計(jì)算，往往來自于兩顆極端致密天體，如中子星、黑洞等的并合爆炸，并且這一過程時(shí)常伴隨引力波的產(chǎn)生。

伽馬暴之所以能夠被稱為“宇宙煙花”，是因?yàn)槠湓诙潭處酌雰?nèi)散發(fā)的能量可能比太陽百億年壽命中釋放的能量總和還要多。自1967年首次觀測到伽馬暴以來，人類至今已探測到近萬例伽馬暴。而在這萬例伽馬暴中，此次觀測到的伽馬暴更是獨(dú)一無二，其釋放出的能量不僅較此前觀測到的伽馬暴都高，而且產(chǎn)生了極為狹窄、極端明亮、接近光速運(yùn)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測了伽馬暴“后隨爆炸”的完整過程。伽馬暴的過程可以被劃分為“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(jié)構(gòu)，但拋射物的速度有快有慢，“當(dāng)慢的物質(zhì)被快的物質(zhì)追上了，在噴流結(jié)構(gòu)的內(nèi)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(xù)向外擴(kuò)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”，也被稱為“余輝”?！霸谶@個(gè)過程中，激波會(huì)將電子加速，并在磁場中發(fā)出同步輻射光，高能電子通過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(nèi)首次探測到了“后隨爆炸”過程中高能光子的上升過程，從而做到了對“后隨爆炸”的完整觀測，實(shí)現(xiàn)了其他實(shí)驗(yàn)沒有達(dá)到的對高能量波段光變過程的教科書式的記錄，為伽馬暴理論模型的精確檢驗(yàn)打下了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

“拉索”看到了噴流的核心

此次觀測到的伽馬暴，其亮度比以往最亮伽馬暴還要高幾十倍以上，過高的光子流量甚至使得多個(gè)國際實(shí)驗(yàn)的探測器飽和。在此次“拉索”探測到的視場范圍內(nèi)，共有6萬多個(gè)高能伽馬光子被收集到。若把選擇條件降到最低，光子數(shù)甚至可以達(dá)到10萬。

為什么會(huì)這么亮？這是觀測到該伽馬暴后許多研究者的疑問，也是“拉索”合作組此次研究主要回答的問題之一。

王祥玉向記者展示的一張“拉索”觀測到的光變曲線圖顯示，該曲線的頭部和尾部都十分“陡峭”，這意味著在觀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”的曲線表明，到達(dá)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(yù)期。

根據(jù)以往理論模型的假設(shè)，“后隨爆炸”過程中高能光子流量的增長應(yīng)該是較為緩慢平穩(wěn)的。對于這一現(xiàn)象，王祥玉提供了一種可能的理論解釋，“‘余輝’將能量噴射出去了，按理說后續(xù)就沒有能量了，但可能中心天體‘引擎’又重新啟動(dòng)了，為后續(xù)噴射注入了新的能量?！?/p>

光變曲線的尾部同樣“陡峭”?！袄鳌焙献鹘M發(fā)現(xiàn)，爆炸開始后不到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(jié)構(gòu)，當(dāng)輻射張角擴(kuò)展到了噴流的邊緣時(shí)造成亮度快速下降?！蓖跸橛裾f。

這個(gè)輻射張角只有0.8度，且正對著地球。由于這個(gè)亮度轉(zhuǎn)折發(fā)生時(shí)間極早，意味著“拉索”觀測到的實(shí)際上是一個(gè)典型內(nèi)亮外暗噴流的、最明亮的核心，相當(dāng)于人類用眼睛直視著一束光的中心光源。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測是千年難遇的“宇宙級幸運(yùn)”事件。

完善伽馬暴理論“拼圖”

“拉索”并不是全世界第一個(gè)觀測到高能段“后隨爆炸”的觀測設(shè)備。在“拉索”建成投入觀測前，全球其他地區(qū)觀測設(shè)施已成功觀測多次高能光子的“后隨爆炸”，最早的一次是在2018年。

“當(dāng)時(shí)還覺得很懊悔，沒有趕上?！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，雖然沒趕上前幾次觀測機(jī)會(huì)，但得益于“拉索”對高能段伽馬暴觀測的絕對優(yōu)勢，“拉索”觀測到了此前其他觀測設(shè)施沒看到的“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，從來沒有看到過。這次‘拉索’的成功觀測，可以說完善了伽馬暴相關(guān)理論的最后一張‘拼圖’。”王祥玉對此次“拉索”的觀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(jī)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(jī)制中存在的若干問題進(jìn)行深入探討，如關(guān)于伽馬暴噴流的成分組成，當(dāng)下學(xué)界認(rèn)為可能的組成有兩種，一種是由常規(guī)物質(zhì)組成，另一種則認(rèn)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測研究方向是短暴。王祥玉也認(rèn)為，如果能夠在距離地球很近的區(qū)域內(nèi)發(fā)生短暴，或許也有可能觀測到高能光子輻射。而這同樣要依賴于“拉索”。“‘拉索’在觀測短暴上也有優(yōu)勢，短暴發(fā)生時(shí)間非常短，不到2秒。如果靠望遠(yuǎn)鏡來觀測，等收到預(yù)警再轉(zhuǎn)過去肯定來不及，而大視場的‘拉索’可以全天候24小時(shí)不間斷觀測，就不會(huì)錯(cuò)過‘精彩瞬間’?！币χ緡榻B道。

除了對伽馬暴本身繼續(xù)進(jìn)行深入研究，“拉索”此次接收到的大量光子，也能夠?yàn)槠渌n題研究提供重要參考。姚志國所在的一個(gè)“拉索”團(tuán)隊(duì)正在利用大量光子數(shù)據(jù)，對狹義相對論的基本原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。狹義相對論認(rèn)為，同一時(shí)間發(fā)出的、不同能量的光子到達(dá)觀測者的時(shí)間應(yīng)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。通俗來講，其是指一個(gè)非加速物理系統(tǒng)在作洛倫茲變換時(shí)，相關(guān)的基本物理規(guī)律不會(huì)改變。而一些大統(tǒng)一理論模型例如量子引力理論認(rèn)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(yàn)，需要獲得能量更高、時(shí)間延遲更短、距離更遠(yuǎn)的高能光子。借助“拉索”對此次伽馬暴的觀測數(shù)據(jù)，研究者有望對洛倫茲不變性破缺的部分參數(shù)給出最強(qiáng)限制。（都芃）

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