LHAASO记录了大质量恒星死亡过程中万亿电子伏伽马射线暴的全过程

2023 年 6 月 8 日，《科学》杂志在线发表了大型高空风流天文台 (LHAASO) 对名为 GRB 221009A 的伽马射线暴 (GRB) 的研究新发现。该研究题为“A tera-electronvolt afterglow from极其明亮的 GRB 221009A 中的窄射流， ”由 LHAASO 国际合作完成。

大约 20 亿年前，一颗比太阳重 20 多倍的大质量恒星耗​​尽了核燃料的聚变能，瞬间坍塌并引发了一场大爆炸，从而释放出一种被称为伽马射线的准直宇宙烟花持续数百秒的爆发 (GRB)。火球与星际物质碰撞产生的高能伽马射线光子穿越浩瀚宇宙，直奔地球而去。2022 年 10 月 9 日晚上 13:20:50 UT，这些光子到达了 LHAASO 的视场，在那里收集了超过 60,000 个伽马射线光子。经过几个月的分析，科学家们终于揭开了这次爆炸事件的细节。

LHAASO 首次精确测量了来自 GRB 余辉的高能光子的整个光变曲线

LHAASO 收集到的光子通量表明它们来自主爆发后的辐射。主爆发，即瞬发，是以强烈的低能伽马射线辐射为特征的初始大爆炸。当喷射出的物质以非常接近光速的速度与周围的星际气体碰撞时，就会产生随后的爆发，称为余辉。LHAASO项目首席研究员、LHAASO合作发言人曹震说：“LHAASO首次准确测量了余辉的完整过程，包括万亿电子伏伽马射线通量从上升到衰变的整个阶段。”中国科学院高能物理研究所教授。

基于对数以万计的伽玛暴的观测，科学家们发展出了看似完美的理论模型，并对它们抱有强烈的信心。LHAASO观察到了其他实验尚未达到的完整高能光变曲线，为这些理论模型的精确检验提供了完善的数据基础。鉴于这一事件的罕见性，可能每千年只发生一次，预计这一观测结果在未来几十年甚至数百年内仍将是最好的结果之一。

LHAASO 首次测量到伽马射线暴高能光子通量的快速增强过程

“在余辉开始的时候，LHAASO 首次检测到光子通量的极快增强，”高能所教授、该论文的通讯作者之一姚志国说。在不到两秒的时间间隔内，通量增加了一百多倍，随后缓慢上升，符合余辉的预期特性。早期的快速增强现象超出了以往理论模型的预期。这就引出了一个问题：实际上是什么机制在起作用。发表的结果将引发科学界对伽马暴所涉及机制的深入讨论，包括能量注入、光子吸收和粒子加速。

LHAASO 揭开了史上最亮伽马射线暴亮度之谜

LHAASO 观测表明，在余辉开始后约 10 分钟，高能辐射的亮度下降得更快。“这可以解释为，爆炸后喷出的物质形成射流状结构，当辐射角延伸到射流边缘时，亮度会迅速下降，”南京大学教授王翔宇说。大学和论文的通讯作者之一。由于这种亮度转变发生的时间极早，因此测得的射流角度极小，仅为0.8度。这是迄今为止已知的最小喷流角度，表明所观察到的实际上是典型的内亮外暗喷流的最亮核心。“

LHAASO高能数据密集型观测将揭开更多谜团

在这次事件的短暂持续时间内，LHAASO 记录的光子数量超过了过去几年从“标准烛光”蟹状星云观测到的光子累计数量。“如果选择标准稍微放宽一点，光子数甚至可以达到十万!” 高能所教授、论文通讯作者之一查敏说。相比之下，同类能带的其他仪器迄今在其他伽玛暴中探测到的光子不到1000个，而且只能探测到爆发后几十秒的光子。” “爆发事件，LHAASO的科学家们仍在分析数据，以揭示更多的秘密。请继续关注LHAASO的后续分析结果，”曹教授说，

背景资料：GRB

伽马射线暴是自大爆炸以来宇宙中最强烈的天文爆炸现象。它们指的是从天空中特定方向发射的伽马射线突然增加。GRB 的持续时间可以短至几分之一秒或长达几个小时。持续时间短的伽玛暴是由附近两个致密天体(如黑洞或中子星)合并产生的，而持续时间长的伽玛暴则是由大质量恒星(超新星)在燃料耗尽时坍缩和爆炸造成的。

2022 年 10 月 9 日 13:16:59.59 UT，费米飞船首次探测到一颗异常明亮的伽马射线暴，按照国际惯例将其命名为 GRB221009A。随后，数十个天基和地面探测器观测到了这次爆发。本次伽玛暴是一个持续时间较长的事件，其亮度超过以往伽玛暴数十倍。极高的光子通量使多个国际实验的探测器饱和。中国的LHAASO、高能爆发探测器(HEBS)卫星和Insight-HXMT卫星同时探测到该暴，实现了能量跨越11个数量级的大范围观测。卫星观测的预印本于 2023 年 3 月 28 日发布。

背景资料：LHAASO

LHAASO 是中国国家重大科技设施之一，旨在开展宇宙射线观测和研究。位于四川省稻城县海子山上。平均海拔4410米，面积约1.36平方公里。LHAASO由三种阵列组成：公里方阵(KM2A)，这是一个覆盖一平方公里的地基粒子探测器阵列，由5216个电磁粒子探测器和1188个μ介子探测器组成;水切伦科夫探测器阵列 (WCDA)，占地 78,000 平方米，由 3,120 个探测单元组成;以及由 18 台望远镜组成的宽视场切伦科夫望远镜阵列 (WFCTA)。LHAASO 能够对来自高能天体的伽马射线和宇宙射线进行宽带和复合测量，

目前的结果主要由 WCDA 提供。WCDA 使用 360,000 吨纯净水作为介质，并使用 6,240 个置于水下的光电倍增管。它通过收集这些二次粒子在水中产生的切伦科夫光信号来测量大气中产生的伽马射线或宇宙射线的二次产物。伽马射线观测的能量范围跨越两个数量级，从大约 100 GeV 到超过 10 TeV。WCDA凭借其广阔的视野和高占空比能力，在捕捉伽玛暴等瞬变天体现象方面具有突出优势。

LHAASO项目由中国国家发展和改革委员会和四川省政府共同资助。建设阶段历时四年，于2017年7月开始。设施建设完成，仪器于2021年7月全面投入使用。

目前，已有32所国内外高校和科研院所成为LHAASO国际合作成员机构，合作科学家约280人。

来自宾夕法尼亚州立大学教授 Peter Meszaros 的评论

得益于LHAASO超大的观测面积和先进的探测器技术，这是首次在TeV能量下探测到外激波早期余辉光变曲线的同步自康普顿分量。此外，这还显示了减速特征，提供了大约 440 的体积洛伦兹因子测量值。它还显示了光变曲线中断，解释为大约 0.8 度的射流打开角度，这将射流的总能量降低到大约 10 ^51 ergs，与其他 GRBs 一致。

北京师范大学天文系教授高赫点评

伽马射线暴是宇宙中最猛烈的爆炸现象，其在几秒内释放出的能量相当于太阳在100亿年内辐射出的总能量。经过半个世纪的研究，科学家们已经认识到伽马射线暴起源于非常极端的物理环境，例如高磁场、强引力和超快的速度。正因如此，伽玛暴成为天体物理学乃至基础物理学领域备受青睐的极端物理实验室。人们期望利用伽马暴研究宇宙演化史、重元素起源、相对论的有效性等重大问题。然而，深刻理解伽马射线暴本身的物理起源是解决这些问题的前提。

迄今为止，人类已经探测到数以万计的伽玛射线暴，几乎每一次对伽玛射线暴认识的突破都是由对异常事件的观测推动的。2022 年 10 月 9 日，探测到有记录以来最亮的伽玛射线暴(后命名为 GRB221009A)，科学家估计这样明亮的伽玛射线暴穿过地球的频率为数千年一次。人类这次非常幸运，因为GRB221009A恰好落在了LHAASO的最佳视野范围内。不负众望，LHAASO首次提供了TeV能量下GRB的完整光变曲线和能谱，极大地促进了我们对GRB辐射机制和射流结构的认识。