高海拔宇宙線觀測站（圖源：中科院高能物理研究所）

最近，伽瑪射線暴又有新發現，伽瑪射線暴是什么東西？探測它有什么用呢？今天就和大家聊一聊。

首先我們看一下伽馬射線，它是波長短于0.01埃的電磁波，相比我們人類的可見光，它的波長非常短——足足短了5個數量級。

而伽瑪射線暴是宇宙中大量伽馬射線的突然釋放，它是大質量恒星在最后死亡時候或者兩個致密天體合并時候所產生的劇烈現象。對于它的研究已經有半個多世紀。

它的發現極其偶然，最初，在1967年由美國的Vela衛星偶然發現。這些衛星本來是為了監控核試驗禁令的遵守情況而發射的，因為核試驗會產生大量的伽馬射線。科學家們注意到雖然這些未知源能夠產生短暫而強烈的伽瑪射線爆發，但是它們來自于宇宙而非地球，所以到了1973年的時候，伽瑪射線暴的發現被公開報道了。

隨后的幾年里，科學家們開始對這些神秘事件進行更為系統的研究，試圖理解它們的本質。不過因為觀測設備的限制，之后的20年內它的研究相對比較緩慢。其間，人們對伽瑪暴進行了簡單分類，主要是基于伽瑪暴的爆發時間，可以將伽瑪暴分為長時標的伽瑪暴和短時標的伽瑪暴。

當時間進入到上個世紀90年的的時候，美國的康普頓伽瑪射線天文臺CGRO發射，它的儀器BATSE記錄了大量的伽瑪暴事件，顯示它們在宇宙中是各向同性分布的，我們知道我們銀河系為圓盤形，如果是在銀河系內爆發，它應該呈現典型的各向異性。所以依此人們推測伽瑪暴應該來自宇宙學距離上的，而并非我們銀河系內的一種爆發現象。到了90年代末期的時候，意大利和荷蘭合作的BeppoSAX衛星首次成功地將伽瑪暴與它的余輝相聯系，并確定了伽瑪暴在遙遠星系中的精確位置。

這一發現證實了伽瑪暴是遠距離的宇宙現象。

而到了本世紀，伽瑪射線暴研究進入了一個新的階段。隨著更先進的望遠鏡和探測器，比如swift衛星和fermi衛星的使用，科學家們能夠在伽馬射線，X射線、可見光和射電波的不同電磁波段對伽瑪暴進行觀測。

在本世紀中，因為一些新的觀測設備的投入使用，伽瑪射線暴的研究繼續發展，特別是，引力波和中微子觀測的多信使天文學的興起，為伽瑪射線暴研究提供了新視角。

2019年建成的中國的大型高海拔宇宙線觀測站，簡稱拉索，它對于伽瑪暴的研究就提供了一個獨特視角，可以說是伽瑪暴研究波段的拓展。拉索是一個大型的高能天體物理實驗項目，位于四川省稻城縣海拔4410米的地方。它建設的目標主要有3個：

首先它用來探索高能宇宙射線起源、加速機制及其在銀河系內外的傳播過程。其次研究伽瑪射線天文學。通過觀測高能伽瑪射線，拉索旨在深入研究伽瑪射線暴、超新星遺跡、活動星系核等高能天體現象。最后，拉索還希望尋找到新物理，探索暗物質和其他超越標準模型物理的新現象。

在去年的2022年，它對伽瑪暴GRB 221009A進行了觀測，并且于今年（2023年）發表了兩篇不同文章，分別對后兩個科學目標進行了探索。

我們先來看這串數字，前面的221009表示日期，字母A表示在當天發現的第一個，有時候會在一天探索到多個伽馬暴。2022年 10 月 9 日，拉索記錄到了來自這個伽馬暴的光子，能量超過 10 TeV。我們所知道的歐洲大型對撞機，它可以將粒子加速到接近光速，不過也僅僅達到幾TeV的能量，所以我們可以看到10TeV的光子能量很高了。

GRB 221009A 是迄今為止觀測到的最亮的伽馬射線暴，它是由一顆比太陽重 20 多倍的大質量恒星在其核燃料耗盡時坍縮而發現的。拉索精細測量了其萬億電子伏特輻射隨時間完整的變化行為，確定了其輻射起源于余輝輻射，也就是恒星坍縮噴發出來的物質和周圍的星際物質相互作用產生的，并揭示了這個伽馬暴歷史最亮的成因，相關成果已經在2023年6月發表在美國的《科學》雜志上。

除此之外，科研人員也注意到，即使能量高達 13 TeV，拉索也沒有觀察到光子流量的快速下降。在標準的伽瑪暴模型中，理論上，隨著光子能量的增加，這種高能輻射的強度迅速降低，因為能量越高的光子，產生的數量就越少。所以這個新的發現對伽瑪暴標準模型提出了挑戰，并暗示新的高能光子或許產生于新的機制。

因為宇宙背景光的存在，高能伽馬射線光子在到達地球的漫長旅程中通常會被整個宇宙背景的光子吸收掉。光子能量越高的話，吸收會更嚴重一些。此次能夠探測到來自遙遠伽馬暴的 10 TeV 伽馬射線應該是非常罕見的。

根據拉索測量，發現背景光強度遠低于預期值。 或者說，紅外波段的背景光強度僅為現有宇宙學模型估計值的40% 左右，人們需要重新評估宇宙中星系的形成和演化了。如果假設宇宙演化的標準模型，那么高能伽馬射線光子的吸收率出乎意料地低，可能表明存在超出粒子物理標準模型的新物理機制。 最后這個發現文章被發表在今年（2023年）11月15日的《科學進展》雜志上。

總的來說，伽瑪暴GRB 221009A的觀測是天文學和物理學領域的一項重要成就，它不僅展示了我們探測和理解宇宙中極端事件能力的提升，為我們提供了寶貴的數據來測試和發展現有的科學理論。與此同時，它也說明觀測工具對于宇宙探索的重要性。

我記得有人曾經說過，90%的天文發現都依賴于設備的進步。在上個世紀40年代的時候，美國就已經有了5米口徑的海爾望遠鏡了，而我們國內目前還沒有這樣的望遠鏡，我們還主要是利用2米多的一些望遠鏡，不過值得欣慰的是，我們國家的研究人員已經在籌劃一些類似或者更大的望遠鏡了，所以希望未來我們能夠有一些更好的設備來幫助我們探索這個神奇的宇宙。

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：茍利軍 中國科學院國家天文臺研究員

審核：韓文標 中國科學院上海天文臺研究員

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

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