高海拔宇宙线观测站（图源：中科院高能物理研究所）

最近，伽玛射线暴又有新发现，伽玛射线暴是什么东西？探测它有什么用呢？今天就和大家聊一聊。

首先我们看一下伽马射线，它是波长短于0.01埃的电磁波，相比我们人类的可见光，它的波长非常短——足足短了5个数量级。

而伽玛射线暴是宇宙中大量伽马射线的突然释放，它是大质量恒星在最后死亡时候或者两个致密天体合并时候所产生的剧烈现象。对于它的研究已经有半个多世纪。

它的发现极其偶然，最初，在1967年由美国的Vela卫星偶然发现。这些卫星本来是为了监控核试验禁令的遵守情况而发射的，因为核试验会产生大量的伽马射线。科学家们注意到虽然这些未知源能够产生短暂而强烈的伽玛射线爆发，但是它们来自于宇宙而非地球，所以到了1973年的时候，伽玛射线暴的发现被公开报道了。

随后的几年里，科学家们开始对这些神秘事件进行更为系统的研究，试图理解它们的本质。不过因为观测设备的限制，之后的20年内它的研究相对比较缓慢。其间，人们对伽玛暴进行了简单分类，主要是基于伽玛暴的爆发时间，可以将伽玛暴分为长时标的伽玛暴和短时标的伽玛暴。

当时间进入到上个世纪90年的的时候，美国的康普顿伽玛射线天文台CGRO发射，它的仪器BATSE记录了大量的伽玛暴事件，显示它们在宇宙中是各向同性分布的，我们知道我们银河系为圆盘形，如果是在银河系内爆发，它应该呈现典型的各向异性。所以依此人们推测伽玛暴应该来自宇宙学距离上的，而并非我们银河系内的一种爆发现象。到了90年代末期的时候，意大利和荷兰合作的BeppoSAX卫星首次成功地将伽玛暴与它的余辉相联系，并确定了伽玛暴在遥远星系中的精确位置。

这一发现证实了伽玛暴是远距离的宇宙现象。

而到了本世纪，伽玛射线暴研究进入了一个新的阶段。随着更先进的望远镜和探测器，比如swift卫星和fermi卫星的使用，科学家们能够在伽马射线，X射线、可见光和射电波的不同电磁波段对伽玛暴进行观测。

在本世纪中，因为一些新的观测设备的投入使用，伽玛射线暴的研究继续发展，特别是，引力波和中微子观测的多信使天文学的兴起，为伽玛射线暴研究提供了新视角。

2019年建成的中国的大型高海拔宇宙线观测站，简称拉索，它对于伽玛暴的研究就提供了一个独特视角，可以说是伽玛暴研究波段的拓展。拉索是一个大型的高能天体物理实验项目，位于四川省稻城县海拔4410米的地方。它建设的目标主要有3个：

首先它用来探索高能宇宙射线起源、加速机制及其在银河系内外的传播过程。其次研究伽玛射线天文学。通过观测高能伽玛射线，拉索旨在深入研究伽玛射线暴、超新星遗迹、活动星系核等高能天体现象。最后，拉索还希望寻找到新物理，探索暗物质和其他超越标准模型物理的新现象。

在去年的2022年，它对伽玛暴GRB 221009A进行了观测，并且于今年（2023年）发表了两篇不同文章，分别对后两个科学目标进行了探索。

我们先来看这串数字，前面的221009表示日期，字母A表示在当天发现的第一个，有时候会在一天探索到多个伽马暴。2022年 10 月 9 日，拉索记录到了来自这个伽马暴的光子，能量超过 10 TeV。我们所知道的欧洲大型对撞机，它可以将粒子加速到接近光速，不过也仅仅达到几TeV的能量，所以我们可以看到10TeV的光子能量很高了。

GRB 221009A 是迄今为止观测到的最亮的伽马射线暴，它是由一颗比太阳重 20 多倍的大质量恒星在其核燃料耗尽时坍缩而发现的。拉索精细测量了其万亿电子伏特辐射随时间完整的变化行为，确定了其辐射起源于余辉辐射，也就是恒星坍缩喷发出来的物质和周围的星际物质相互作用产生的，并揭示了这个伽马暴历史最亮的成因，相关成果已经在2023年6月发表在美国的《科学》杂志上。

除此之外，科研人员也注意到，即使能量高达 13 TeV，拉索也没有观察到光子流量的快速下降。在标准的伽玛暴模型中，理论上，随着光子能量的增加，这种高能辐射的强度迅速降低，因为能量越高的光子，产生的数量就越少。所以这个新的发现对伽玛暴标准模型提出了挑战，并暗示新的高能光子或许产生于新的机制。

因为宇宙背景光的存在，高能伽马射线光子在到达地球的漫长旅程中通常会被整个宇宙背景的光子吸收掉。光子能量越高的话，吸收会更严重一些。此次能够探测到来自遥远伽马暴的 10 TeV 伽马射线应该是非常罕见的。

根据拉索测量，发现背景光强度远低于预期值。 或者说，红外波段的背景光强度仅为现有宇宙学模型估计值的40% 左右，人们需要重新评估宇宙中星系的形成和演化了。如果假设宇宙演化的标准模型，那么高能伽马射线光子的吸收率出乎意料地低，可能表明存在超出粒子物理标准模型的新物理机制。 最后这个发现文章被发表在今年（2023年）11月15日的《科学进展》杂志上。

总的来说，伽玛暴GRB 221009A的观测是天文学和物理学领域的一项重要成就，它不仅展示了我们探测和理解宇宙中极端事件能力的提升，为我们提供了宝贵的数据来测试和发展现有的科学理论。与此同时，它也说明观测工具对于宇宙探索的重要性。

我记得有人曾经说过，90%的天文发现都依赖于设备的进步。在上个世纪40年代的时候，美国就已经有了5米口径的海尔望远镜了，而我们国内目前还没有这样的望远镜，我们还主要是利用2米多的一些望远镜，不过值得欣慰的是，我们国家的研究人员已经在筹划一些类似或者更大的望远镜了，所以希望未来我们能够有一些更好的设备来帮助我们探索这个神奇的宇宙。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者：苟利军 中国科学院国家天文台研究员

审核：韩文标 中国科学院上海天文台研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 星空计划

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