“拉索”首次完整记录伽马射线暴全过程

“拉索”测量伽马暴示意图。 图片由“拉索”工程办提供

在四川省稻城县海子山海拔4410米的高原上建立的“拉索”高海拔宇宙线观测站（英文缩写LHAASO），我国科研人员在观测数据基础上首次精确刻画出大质量恒星死亡瞬间万亿电子伏特伽马射线爆发的全过程，首次观测到高能光子流量的快速增强过程。相关研究成果6月9日在线发表于《科学》杂志。

伽马暴持续时间短，释放巨大能量

伽马暴是宇宙中最强大的天体爆发事件之一。想象一下，一颗远比太阳还要巨大而炽热的恒星，在数百万年间燃烧着自己的燃料，释放出巨大的能量。然而，当这颗恒星燃料用尽时，却发生了一些惊人的事情。恒星内部的核聚变反应突然停止，无法继续产生能量来抵抗自身的引力。于是，恒星开始迅速坍缩。这个过程类似于我们使用外力把一个气球挤压得越来越小。但与气球不同，恒星的坍缩过程极为剧烈，释放出的巨大能量不断积累，最终形成黑洞或者中子星这样的致密性天体。在坍缩过程中，黑洞或中子星会在极短时间内释放出一束极为强大的能量，形成伽马射线，瞬时释放的能量要比太阳一生核反应的能量还要高上几个量级。

形成伽马暴的特点是持续时间较短、能量极高、方向性强，且横向扩展度很小。根据持续时间不同，伽马暴分为短暴和长暴。长暴通常持续时间超过两秒，一般持续几秒钟到几百秒不等。长暴通常与质量较大的恒星爆炸有关，如超新星爆炸或恒星坍缩引起的黑洞形成过程。我们可以将释放出来的伽马射线想象成一个宇宙尺度上朝着特定的方向迅速传播的“激光脉冲”。这束伽马射线在宇宙中以近乎光速的速度在空间中旅行，直至被探测到。

观测伽马暴主要有三种手段

研究伽马暴，对于理解宇宙的演化、高能物理和天体物理现象，以及星系形成等方面具有重要意义。我们对天体的观测数据十分丰富，比如太阳这种类似“静态”的天体，或者脉冲星这样的周期性天体。但与这些天体不同的是，伽马暴是“一次性”的宇宙过程，人类不能预知它何时会发生，并且错过就永远失去了一次观测机会，因此要想观测伽马暴只能是“被动”的。目前的观测手段是由专门的伽马暴空间探测卫星作为“预警者”。例如，美国费米伽马射线空间望远镜（Fermi）给出伽马暴预警信息后，会在短时间内发布信息，其他如空间探测器，以及地面探测器接收到这个信息后，开始对伽马暴进行观测。

对于不同类型的探测器，彼此间的观测机制差异很大。现阶段对高能伽马射线的探测主要有3种手段：空间卫星、地面大气切伦科夫望远镜、广延大气簇射阵列。

空间卫星属于直接观测手段，特点是具有较大的灵敏视场角，覆盖能量范围通常在MeV（百万电子伏特）至100GeV（10亿电子伏特），在不考虑故障情况下运行占空比接近100%。

地面大气切伦科夫望远镜，属于间接的光学观测手段，一般运行在晴朗且无云的夜间，运行时间受环境影响很大，视场角较小，优点是可以对局部天区进行高角分辨观测，能量覆盖范围从几十个GeV到十个TeV（万亿电子伏特）。如由两个大气切伦科夫望远镜组成的神奇伽马射线望远镜（MAGIC），当运行过程中接收到伽马暴预警信号，可以在几十秒的时间内指向相应区域进行伽马暴余辉的观测。

广延大气簇射阵列，也是间接观测手段，不同的是，通过测量高能粒子与大气中粒子相互碰撞后形成的次级粒子，来重建原初高能粒子的信息，特点是运行占空比接近100%，视场角为3/4π左右，覆盖能量范围根据阵列类型不同，可从100GeV至几十PeV（拍电子伏特）不等。6月9日在《科学》杂志上发表的文章，做出主要贡献的探测器——“拉索”的水切伦科夫探测器阵列（WCDA）就属于此类，其能量测量范围从100GeV到30TeV，观测到此次伽马射线暴从0.3到7TeV的伽马辐射。

数据获取机制是完整探测的关键

为什么WCDA的测量结果如此重要，它是如何实现的？对于探测这件事情来说，第一是要解决“0到1”的问题，也就是说，我们是否测量到了这样一个现象；第二是测到了多少数据，这些数据能从一个什么深度上帮助我们理解这个现象。

“拉索”为什么能够探测到伽马射线暴？首先，探测器处在一个稳定的运行状态，伽马射线暴的光子恰巧落在探测器的视场内。

“拉索”自身数据获取机制是保证此次完整探测的关键。数据产生后，后端会产生两个相同的数据流：一个数据流经过触发算法后进行保存用于物理分析；另一个数据流专门面向伽马暴的研究，以一个“缓存”的方式存在，即以当下时间为T0的话，它缓存向前0.5小时、向后2小时的数据。当“拉索”获得伽马暴预警信息后，就将这段缓存的数据单独保存下来。相对于短时间的伽马暴来说，这些数据时长已足够进行细致的研究了。

完美解释为何此次伽马射线暴是“史上最亮”

“拉索”观测表明，高能辐射在起爆之后不到10分钟的某个时刻，亮度突然快速减弱了。这可以解释为爆炸后的抛射物是喷流状结构，由此还测出了喷流的张角仅0.8度。这是迄今知道的最小张角的喷流，意味着实际上观测到的是一个典型内亮外暗喷流最明亮的核心。正是由于观测者碰巧正对喷流最明亮的核心，这就解释了为什么这个伽马射线暴是历史上最亮的，也解释了为什么这样的事件极其罕见。

根据分析结果，该伽马射线暴产生于距离地球24亿光年的宇宙深处，其亮度是此前伽马射线暴亮度纪录的50倍，大部分光子恰巧处于“拉索”WCDA探测器最灵敏的能量区域。而“拉索”实现了其他实验没有达到的高能量波段光变过程教科书式的完整观测，首次精确测量高能光子爆发的完整过程，首次测量到高能光子流量的快速增强过程，为理论模型的精确检验提供了实验基础，对宇宙线起源、极端天体物理辐射机制，以及高能光子的传播机制研究提供了非常丰富的信息。

此次观测结果，预期将在今后几十甚至上百年时间内保持最佳。本场爆炸事件还有其他许多新发现，科学家们还在不懈地深耕“拉索”数据，力图揭示更多奥秘。

（作者系中国科学院高能物理研究所副研究员）