前沿科技丨迄今最亮“宇宙烟花秀”被完整记录，入选年度十大科学进展，“拉索”这一成果究竟讲了啥？

2024年2月29日，国家自然科学基金委员会发布了2023年度“中国科学十大进展”，由中国科学院高能物理研究所曹臻院士领导的高海拔宇宙线观测站（简称“拉索”，英文LHAASO）国际合作组发布的重大进展——“拉索”发现史上最亮伽马暴的极窄喷流和十万亿电子伏特光子——入选。这一成果的相关论文发表在2023年6月8日的Science和2023年11月15日Science Advances上。

“拉索”发现史上最亮伽马暴的极窄喷流和十万亿电子伏特光子（艺术示意图）

1. 伽马暴，百亿光年外的“宇宙烟花秀”

伽马射线暴（简称“伽马暴”）是天空中突然发生的短暂伽马射线爆发现象，是宇宙大爆炸之后最剧烈的天体爆炸现象。如果要用一个形象的比喻的话，伽马暴就像一个巨大的烟花，只不过，烟花我们可以直接肉眼观赏到，但要观测伽马暴则需要用到专门的大型科学装置。

伽马暴首次发现于1967年，其主要辐射在100keV-10MeV伽马射线波段，人类利用空间卫星探测器至今已经记录到近万个伽马暴事件。根据辐射持续时间，伽马暴分为两类：时间小于2秒的短暴和时间大于2秒的长暴。

那么伽马暴是如何诞生的呢？目前科学界一般认为，长暴起源于超大质量恒星核心坍缩，短暴起源于两个中子星并和，两种过程都产生速度接近光速的喷流。不管是长暴还是短暴，他们都来自于遥远的河外星系，平均距离在100亿光年左右。

2. 大能量伽马暴辐射，要完整观测并不容易

伽马暴的辐射分为两个阶段：瞬时辐射和余辉辐射。余辉是伽马暴爆发之后的后随辐射，最早于1997年发现。

一般认为伽马暴中心引擎先产生一个温度极高的火球，它以极端相对论的速度向外膨胀，当后面较快的物质追赶上前面较慢的物质之后发生碰撞，产生内激波。内激波加热电子到相对论能量，相对论电子在磁场中运动，通过同步辐射或逆康普顿散射产生keV/MeV的伽马射线，这就是伽马暴的瞬时辐射。

相对论性物质继续扫过星际介质，产生外激波。外激波加速星际介质中的电子，通过电子的同步辐射产生相对缓慢变化的X射线、光学、射电等波段的辐射，即余辉辐射。

伽马暴万亿电子伏特的辐射直到2019年才被地面大气切伦科夫望远镜在余辉阶段观测到，至今也仅观测到3个事例。通过对多波段联合观测，科学家发现余辉辐射的能谱存在两个光谱成分，低能成分认为是电子在磁场中的同步辐射，而高能成分认为是高能电子对同步辐射光子的逆康普顿散射。

由于大气切伦科夫望远镜只能在晴朗的无月夜晚观测，而且具有很窄的视场，因此在收到卫星报警信息后需要一定的时间转到伽马暴的方向，它们只看到了余辉的下降阶段，而错过了瞬时辐射阶段和余辉上升阶段的观测。

3. 中国“拉索”，助人类揭开迄今最亮伽马暴的秘密

“拉索”是十二五国家重大科技基础设施建设中长期规划项目，在研制过程中发展了多项关键核心技术，2021年完成全部建设并开始稳定运行，在超高能伽马射线探测灵敏度、甚高能伽马射线巡天普查灵敏度、宇宙线能量覆盖区间均达到国际领先水平，并于2023年5月优于设计指标通过国家验收。

位于海拔4410米高原的高海拔宇宙线观测站（简称“拉索”，英文LHAASO）航拍图 中国科学院高能物理研究所供图

伽马暴是“拉索”的重要科学目标之一，相比大气切伦科夫望远镜，“拉索”探测器具有大得多的视场，每个时刻可以监视1/7的全天区，而且具有全天候观测时间，因而可以观测到伽马暴瞬时辐射和早期余辉。

北京时间2022年10月9日晚，空间卫星记录到人类历史上已知最亮的伽马暴（命名为GRB 221009A），其产生于一颗比太阳重20多倍的大质量恒星在燃料耗尽时的塌缩爆炸，根据已有的观测事例估计，如此亮的伽马暴出现的频次为千年一次。

得益于“拉索”的大视场和高灵敏度，人类终于第一次完整地看到了伽马暴万亿电子伏特余辉辐射从上升到下降的完整演化过程。根据“拉索”探测到亮度峰值时间，推算出伽马暴喷流初始速度的洛伦兹因子约为440，比普通伽马暴喷流速度快很多。

“拉索”观测到了万亿电子伏特辐射在早期存在一个极快上升的阶段，这一新现象在其他波段余辉中从未观测过，这可能是由于中心引擎在早期向余辉持续注入了大量能量所致。“拉索”还观测到亮度在700秒左右出现了快速下降，根据“拉索”测量时间可以推断喷流半张角仅有0.8°，这是迄今发现的最窄伽马暴喷流，从而揭示了这个伽马暴历史上最亮的秘密。

4. “拉索”的这次发现，为伽马暴理论研究带来新启示

“拉索”探测到了来自GRB 221009A最高光子能量达13万亿电子伏特，首次打开伽马暴10万亿电子伏特观测窗口，是伽马暴六十年研究历史上的里程碑。基于近万例伽马暴的低能观测，科学家已经建立了余辉的标准理论模型，万亿电子伏特余辉辐射起源于相对论电子的同步自康普顿辐射，理论上能量越高的光子其亮度应该明显下降，但“拉索”测量却发现GRB 221009A的辐射一直延伸到10万亿电子伏特以上，没有出现预期的变暗现象，对伽马暴余辉标准辐射模型提出了挑战，预示着10万亿电子伏特左右光子可能产生于更复杂的粒子加速过程或者存在新的辐射机制。

高能伽马光子在宇宙空间传播时会被宇宙中弥漫的背景光吸收，伽马光子能量越高，吸收越强烈。

宇宙背景光是宇宙中不同距离处所有的星系辐射产物的总和，与星系的形成和演化密切相关。GRB 221009A距离地球约24亿光年，在现有宇宙背景光模型下预期“拉索”难探测到其10 万亿电子伏特以上的光子，“拉索”测量结果则显示宇宙比原来预期的要透明，要求红外波段宇宙背景光强度仅为现有宇宙学模型预期的40%左右，对研究宇宙中星系的形成和演化过程具有重要价值。

另一方面，如果认为现有宇宙背景光的吸收强度是正确的，则需要存在某种超出当前粒子物理标准模型的新物理机制来解释观测结果。比如，作为爱因斯坦狭义相对论基础的“洛伦兹对称性”如果在高能区存在非常微小的破坏，这种效应在伽马光子24亿光年的长距离飞行中就会被放大为可观测现象，从而能够解释“拉索”观测结果。此外，轴子是标准模型之外的一种新粒子，如果高能光子与轴子存在振荡，也可以解释“拉索”观测到的高能伽马光子弱吸收现象。

结语

“拉索”是国家重大科技基础设施，位于四川省稻城县海拔4410米的海子山，是由5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子探测器阵列、7.8万平方米水切伦科夫探测器阵列以及由18台广角切伦科夫望远镜组成的复合阵列。“拉索”于2021年7月建成并开始高质量稳定运行，是国际上领先的高能伽马射线探测装置，具有大视场和全天候的特点，每天可以监视2/3的天区范围，“拉索”预期将运行20年以上，未来有望捕获更多伽马暴事件，在探索这一宇宙大爆炸之后最剧烈的天体爆炸现象上取得更多突破。