科技日报记者 都芃

【资料图】

大约20亿年前，一颗相当于20倍太阳质量的恒星，在燃烧完自身燃料后即将“熄灭”，其坍缩瞬间爆炸形成了巨大的火球，耀眼的“火光”持续了数百秒，仿佛一个巨大的宇宙烟花。

在经历漫长的旅程后，这次爆炸形成的伽马射线暴（以下简称伽马暴）终于抵达地球。与此同时，位于四川省稻城县海子山上的高海拔宇宙线观测站（又称“拉索”）已睁开大大的“眼睛”，目睹了这场绚烂的“宇宙烟花”——人类目前观测到的史上最亮伽马暴。6月9日，“拉索”合作组在《科学》杂志发表文章，揭开了这次史上最亮伽马暴背后的秘密。

对“后随爆炸”教科书般的观测

伽马暴是宇宙中某一方向上伽马射线瞬时增强的一种现象。伽马暴虽不常见，但伽马射线离我们的生活并不遥远。作为一种波长极短、穿透力极强，同时又携带高能量的原子核射线，伽马射线在生活中用途广泛，如癌症放疗中，医生常用高通量的伽马射线来杀死癌细胞。

但是，从宇宙深处到达地球的伽马暴早已没了这样的“威力”。伽马暴辐射面积之巨，比数百个银河系的范围还要大，加之动辄与地球数十亿光年的距离，使得它们的光子通量在抵达地球上空时已所剩无几，只有动用最精密的仪器才能够对其进行观测。

根据持续时间的长短，伽马暴被分为长暴和短暴。长暴的持续时间在2秒以上，最长可达数千秒，通常被认为是大质量恒星在核心坍缩爆炸后产生的，此次观测到的史上最亮伽马暴便属于长暴。短暴的持续时间低于2秒，最短的只能以毫秒计算，往往来自于两颗极端致密天体，如中子星、黑洞等的并合爆炸，并且这一过程时常伴随引力波的产生。

伽马暴之所以能够被称为“宇宙烟花”，是因为其在短短几秒内散发的能量可能比太阳百亿年寿命中释放的能量总和还要多。自1967年首次观测到伽马暴以来，人类至今已探测到近万例伽马暴。而在这万例伽马暴中，此次观测到的伽马暴更是独一无二，其释放出的能量不仅较此前观测到的伽马暴都高，而且产生了极为狭窄、极端明亮、接近光速运动的喷流，科学家将其评价为“千年一遇的重要天文事件”。

此外，“拉索”合作组还首次精确观测了伽马暴“后随爆炸”的完整过程。伽马暴的过程可以被划分为“主爆”和“后随爆炸”。此次研究的通讯作者之一、南京大学教授王祥玉告诉记者，在爆炸初始阶段，爆炸后的抛射物是喷流状结构，但抛射物的速度有快有慢，“当慢的物质被快的物质追上了，在喷流结构的内部发生碰撞，这就产生了‘主爆’。”

在“主爆”发生后，爆炸产生的物质会继续向外扩散，与外部环境中的物质发生进一步接触，进而产生新的爆炸，即“后随爆炸”，也被称为“余辉”。“在这个过程中，激波会将电子加速，并在磁场中发出同步辐射光，高能电子通过与同步辐射光子碰撞把能量传输给光子，于是就产生了高能光子辐射。”王祥玉介绍道。

而“拉索”则是在全球范围内首次探测到了“后随爆炸”过程中高能光子的上升过程，从而做到了对“后随爆炸”的完整观测，实现了其他实验没有达到的对高能量波段光变过程的教科书式的记录，为伽马暴理论模型的精确检验打下了坚实的实验基础。

“拉索”看到了喷流的核心

此次观测到的伽马暴，其亮度比以往最亮伽马暴还要高几十倍以上，过高的光子流量甚至使得多个国际实验的探测器饱和。在此次“拉索”探测到的视场范围内，共有6万多个高能伽马光子被收集到。若把选择条件降到最低，光子数甚至可以达到10万。

为什么会这么亮？这是观测到该伽马暴后许多研究者的疑问，也是“拉索”合作组此次研究主要回答的问题之一。

王祥玉向记者展示的一张“拉索”观测到的光变曲线图显示，该曲线的头部和尾部都十分“陡峭”，这意味着在观测的初始和尾声阶段，光子亮度都发生了急剧变化。

头部“陡峭”的曲线表明，到达地球的光子是极速变亮的，在不到2秒的时间里，“拉索”收到的光子亮了100多倍，超出了以往伽马暴理论模型的预期。

根据以往理论模型的假设，“后随爆炸”过程中高能光子流量的增长应该是较为缓慢平稳的。对于这一现象，王祥玉提供了一种可能的理论解释，“‘余辉’将能量喷射出去了，按理说后续就没有能量了，但可能中心天体‘引擎’又重新启动了，为后续喷射注入了新的能量。”

光变曲线的尾部同样“陡峭”。“拉索”合作组发现，爆炸开始后不到10分钟，“拉索”收到的光子亮度突然间快速减弱。“这可解释为爆炸后的抛射物是喷流状的结构，当辐射张角扩展到了喷流的边缘时造成亮度快速下降。”王祥玉说。

这个辐射张角只有0.8度，且正对着地球。由于这个亮度转折发生时间极早，意味着“拉索”观测到的实际上是一个典型内亮外暗喷流的、最明亮的核心，相当于人类用眼睛直视着一束光的中心光源。这也解释了为什么这个伽马暴是“史上最亮”，也更加凸显出此次对其成功观测是千年难遇的“宇宙级幸运”事件。

完善伽马暴理论“拼图”

“拉索”并不是全世界第一个观测到高能段“后随爆炸”的观测设备。在“拉索”建成投入观测前，全球其他地区观测设施已成功观测多次高能光子的“后随爆炸”，最早的一次是在2018年。

“当时还觉得很懊悔，没有赶上。”此次研究通讯作者之一、中国科学院高能物理研究所研究员姚志国告诉记者，虽然没赶上前几次观测机会，但得益于“拉索”对高能段伽马暴观测的绝对优势，“拉索”观测到了此前其他观测设施没看到的“后随爆炸”上升阶段。“此前上升阶段的高能段伽马暴，只是在理论上存在，从来没有看到过。这次‘拉索’的成功观测，可以说完善了伽马暴相关理论的最后一张‘拼图’。”王祥玉对此次“拉索”的观测成果给予了高度评价。

但这张“拼图”上仍然还有“模糊”的地方。例如，“后随爆炸”中高能光子快速上升的形成机制仍然需要最终的理论解释。

但是，借助这张日趋完整的理论“拼图”，研究人员已可以对伽马暴形成机制中存在的若干问题进行深入探讨，如关于伽马暴喷流的成分组成，当下学界认为可能的组成有两种，一种是由常规物质组成，另一种则认为伽马暴喷流是高度磁化的，能量组成是电磁波而非物质。

姚志国指出，下一个可能获得重要突破的伽马暴观测研究方向是短暴。王祥玉也认为，如果能够在距离地球很近的区域内发生短暴，或许也有可能观测到高能光子辐射。而这同样要依赖于“拉索”。“‘拉索’在观测短暴上也有优势，短暴发生时间非常短，不到2秒。如果靠望远镜来观测，等收到预警再转过去肯定来不及，而大视场的‘拉索’可以全天候24小时不间断观测，就不会错过‘精彩瞬间’。”姚志国介绍道。

除了对伽马暴本身继续进行深入研究，“拉索”此次接收到的大量光子，也能够为其他课题研究提供重要参考。姚志国所在的一个“拉索”团队正在利用大量光子数据，对狭义相对论的基本原理进行实验验证。狭义相对论认为，同一时间发出的、不同能量的光子到达观测者的时间应是一致的，即光速不变性。其中，洛伦兹不变性是狭义相对论的基本假定。通俗来讲，其是指一个非加速物理系统在作洛伦兹变换时，相关的基本物理规律不会改变。而一些大统一理论模型例如量子引力理论认为，在非常高的能量下，光速会随能量变化，即洛伦兹不变性会发生破缺。要对光速不变性进行精确检验，需要获得能量更高、时间延迟更短、距离更远的高能光子。借助“拉索”对此次伽马暴的观测数据，研究者有望对洛伦兹不变性破缺的部分参数给出最强限制。