約20億光年前，一顆比我們的太陽(yáng)重20多倍的“超級(jí)太陽(yáng)”燃燒殆盡，內(nèi)部坍縮成黑洞并產(chǎn)生爆炸，瞬間噴射出兩個(gè)巨大的“火球”，其中一個(gè)徑直奔向地球。
“火球”與太空中的星際物質(zhì)碰撞產(chǎn)生大量高能光子，它們穿過(guò)茫茫宇宙，在2022年10月9日21時(shí)20分50秒抵達(dá)我們的藍(lán)色星球，被坐落于四川稻城平均海拔4410米的高海拔宇宙線觀測(cè)站“拉索”捕捉到。
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“超級(jí)太陽(yáng)”坍縮成黑洞并向外噴射“火球”的過(guò)程。圖源：NASA
科學(xué)家分析此類事件千年一遇，“拉索”幸運(yùn)地記錄到“火球”到達(dá)地球的全過(guò)程，這在人類歷史上屬于首次，相關(guān)成果于6月9日發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上。
“拉索”項(xiàng)目經(jīng)理、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所首席科學(xué)家曹臻表示，觀測(cè)結(jié)果預(yù)期將在今后幾十甚至上百年內(nèi)保持最佳，“拉索”使中國(guó)科研人員站在世界領(lǐng)先的位置上發(fā)表重要成果。
“超級(jí)太陽(yáng)”坍縮爆炸產(chǎn)生的伽馬暴被“拉索”觀測(cè)到（示意圖）。圖源中科院高能物理所
人類首次觀測(cè)到伽馬暴的完整過(guò)程
“火球”有個(gè)專業(yè)的名稱：伽馬射線暴（以下簡(jiǎn)稱“伽馬暴”）。這是宇宙大爆炸之后最劇烈的天體爆炸現(xiàn)象，短至千分之一秒，長(zhǎng)則數(shù)小時(shí)。短時(shí)間的伽馬暴是由兩顆鄰近的致密星體比如黑洞或中子星并合產(chǎn)生，而長(zhǎng)時(shí)間的伽馬暴是由巨大恒星（超級(jí)恒星）在燃料耗盡時(shí)塌縮爆炸產(chǎn)生。
北京師范大學(xué)天文系教授高鶴表示，伽馬暴幾秒鐘輻射的能量相當(dāng)于太陽(yáng)100億年輻射能量的總和。人們期望利用伽馬暴研究宇宙的演化歷史、重元素的起源以及相對(duì)論的正確性等重大問(wèn)題。而在這之前，必須深刻了解伽馬暴自身的物理起源。
高鶴說(shuō)，經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的研究，人們認(rèn)識(shí)到伽馬暴產(chǎn)生于特別極端的物理環(huán)境，比如極高的磁場(chǎng)、極強(qiáng)的引力，極快的速度等等。
據(jù)了解，不是所有恒星死亡都會(huì)產(chǎn)生伽馬暴，像太陽(yáng)質(zhì)量大小的恒星在死亡時(shí)將失去光亮，然后變成白矮星。此次拉索觀測(cè)到的史上最亮的伽馬暴產(chǎn)生于一起天體坍縮的極端事件。“非常幸運(yùn)”，中科院高能物理所的眾多研究人員在談到此次研究成果時(shí)都離不開(kāi)這句話。
幸運(yùn)體現(xiàn)在兩個(gè)方面。首先，科學(xué)家推斷如此亮的伽馬暴掃過(guò)地球的概率是千年甚至萬(wàn)年一次。而這種難得一遇的伽馬暴正好落在“拉索”的最佳觀測(cè)范圍內(nèi)，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10分鐘。
此次的伽馬暴被命名為“GRB 221009A”。中科院高能物理所的研究人員介紹，鑒于此次爆發(fā)千年不遇的稀缺性，這個(gè)觀測(cè)結(jié)果預(yù)期將在今后幾十甚至上百年內(nèi)保持最佳。
“拉索”的科學(xué)家們通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，這次 “伽馬暴”共有6萬(wàn)多個(gè)伽馬光子被捕捉到。而此前，地球上其它實(shí)驗(yàn)裝置，甚至是專門(mén)設(shè)計(jì)來(lái)追蹤伽馬暴的設(shè)備，測(cè)到的光子數(shù)目?jī)H在千個(gè)以下。
更讓研究人員興奮的是，此前人類只能觀測(cè)到伽馬暴的中段過(guò)程，看不見(jiàn)前段和末段，而“拉索”則觀測(cè)到伽馬暴的完整過(guò)程，這在歷史上屬于“首次”。
“拉索”首次實(shí)現(xiàn)了伽馬射線暴千億電子伏特以上余輝輻射過(guò)程的完整觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了余輝輻射過(guò)程的快速增長(zhǎng)現(xiàn)象和快速衰減現(xiàn)象。圖源中科院高能物理所
高鶴介紹，這一觀測(cè)結(jié)果大大增進(jìn)了人類對(duì)伽馬暴輻射機(jī)制以及噴流結(jié)構(gòu)等方面的理解。
此外，“拉索”團(tuán)隊(duì)人員還介紹，由于伽馬暴過(guò)程中光子與宇宙中物質(zhì)產(chǎn)生碰撞，因此，人們還可以通過(guò)研究伽馬暴了解大質(zhì)量恒星周?chē)沫h(huán)境信息，比如周?chē)鷼怏w的物質(zhì)成分和情況，以及拋射物與外太空氣體的碰撞關(guān)系。
“拉索”航拍圖，中間矩形的為捕捉到“GRB 221009A”伽馬暴的水切倫科夫探測(cè)器陣列。圖源中科院高能物理所
“拉索”產(chǎn)出的成果兩度登上《科學(xué)》
“拉索”研究成果的重要性，體現(xiàn)在成果文章投稿的順利和見(jiàn)刊的迅速上。據(jù)介紹，研究團(tuán)隊(duì)在2023年2月1日向頂尖學(xué)術(shù)雜志《科學(xué)》，5月中旬就收到錄用通知，并且文章在6月9日正式發(fā)表。
曹臻表示，這個(gè)速度非常快，通常文章錄用后還需要排隊(duì)，這次相當(dāng)于“加塞”了。一般出現(xiàn)這種優(yōu)先出版的是因?yàn)閷徃宸秸J(rèn)為文章很重要，比如前段時(shí)間新冠病毒的相關(guān)研究會(huì)被安排優(yōu)先出版，因?yàn)楫?dāng)時(shí)全世界都在關(guān)注相關(guān)研究。
曹臻認(rèn)為，這個(gè)研究成果具有很重要的科研價(jià)值，有關(guān)伽馬暴的文章發(fā)表后，全世界的科學(xué)家可以在此基礎(chǔ)上做更深入的科學(xué)研究，探索恒星死亡和核心爆炸過(guò)程。
“另一方面，‘拉索’項(xiàng)目使得我們有機(jī)會(huì)站在國(guó)際領(lǐng)先位置發(fā)表獨(dú)一無(wú)二的重要科研成果” 曹臻說(shuō)，“拉索”觀測(cè)到的伽馬暴過(guò)程的模型，將來(lái)可能成為教科書(shū)式的典范，可以經(jīng)受住時(shí)間考驗(yàn)，沉淀在人類的知識(shí)長(zhǎng)河中。
“機(jī)會(huì)是留給有準(zhǔn)備的人”，曹臻認(rèn)為，這次重大研究成果的重要基礎(chǔ)是拉索這一觀測(cè)站的完備。
這不是“拉索”產(chǎn)出的成果第一次登上《科學(xué)》。據(jù)南都此前報(bào)道，2017年夏，“拉索”破土動(dòng)工，一邊建設(shè)一邊運(yùn)行。2020年，還未完全建成的“拉索”，產(chǎn)出了兩項(xiàng)重要成果，同年5月和7月分別發(fā)布在《自然》《科學(xué)》。
2023年5月10日，拉索項(xiàng)目通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，成為目前國(guó)際粒子天體物理三大實(shí)驗(yàn)設(shè)施之一。
“拉索”占地面積約2040畝，面積接近兩個(gè)故宮。整體上看，拉索由眾多“土包”組成的巨大圓形陣列，正中心的是一個(gè)深4.5米、占地78000平方米的純凈水水池，就是此次捕捉到“GRB 221009A”伽馬暴的水切倫科夫探測(cè)器陣列。據(jù)介紹，目前，“土包”等外圍探測(cè)陣列的分析結(jié)果尚未公布，更多觀測(cè)研究成果將會(huì)陸續(xù)發(fā)表。
曹臻認(rèn)為，此次研究成果也是“拉索”開(kāi)放共享的典范。“拉索”獲取的海量數(shù)據(jù)，由中科院高能物理所負(fù)責(zé)分析，之后由南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等高校團(tuán)隊(duì)提供理論解釋，最終形成一篇包含30多家單位，280多個(gè)署名的文章，其中還包括一名外籍研究者。
采寫(xiě)：南都記者 郭若梅 發(fā)自北京
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