“拉索”的實驗觀測
北京時間2022年10月9日晚，費米衛星記錄到天空中的一個伽馬射線暴(以下簡稱伽馬暴)，根據國際慣例命名為GRB221009A。其巨大的伽馬射線流量引起了多個國際實驗探測器發生了飽和效應。隨后經過全球多個探測器的對比，大家一致認為，這是人類歷史上已知的最亮的伽馬暴[1—3]，它被稱為史上最亮伽馬暴，英文縮寫為BOAT(the brightest of all time)。
在這次伽馬暴爆發期間，我國的高海拔宇宙線觀測站(Large High Altitude Air Shower Observatory，LHAASO，簡稱“拉索”)表現出色，不僅獲取了高質量的萬億電子伏特觀測數據，還首次測量到了伽馬暴萬億電子伏特余暉的光度上升階段，同時發現了極早期余暉的光變拐折現象(圖1)。相關的研究成果于2023年6月9日在線發表于Science雜志[4]。
圖1 “拉索”觀測到的3千億到5萬億電子伏特能量范圍的GRB221009A余暉輻射的光變過程(a)以及能譜指數演化與函數擬合(b)。“拉索”首次實現了伽馬射線暴千億電子伏特以上余暉輻射過程的完整觀測，不僅發現了余暉輻射過程的快速增長現象，同時也發現了伽馬射線暴GRB221009A余暉輻射過程的快速衰減現象
在本次觀測中，“拉索”首次精確測量高能光子爆發的完整過程。“拉索”收集到的信號細節表明，探測到的光子來源于主爆之后的余暉。簡單來說，伽馬暴事件的“主爆”，也稱為瞬時輻射，是初始階段的巨大爆炸，表現為強烈的低能伽馬射線輻射。而接近于光速的爆炸物與周圍環境氣體碰撞產生余暉[5]。最近幾年以來，已經有多個大氣切連科夫望遠鏡觀測到了伽馬暴萬億電子伏特能量的余暉[6—7]。但是由于切連科夫望遠鏡需要一定時間轉到伽馬暴的方向，目前的觀測只看到了余暉的下降階段，并沒有描繪出甚高能余暉完整的時間演化過程。然而，這次史上最亮的伽馬暴給人們帶來了驚喜。相比于大氣切連科夫望遠鏡，“拉索”憑借著大視場、全天候、高靈敏度的獨特優勢，恰逢史上最亮的伽馬暴GRB221009A在爆發期間剛好處在“拉索”的觀測視野范圍內。人們終于第一次完整地看到了高能余暉從上升到下降的演化過程，在萬億電子伏特的能段，補足了余暉光變曲線上缺失的重要信息(圖2)。
圖2 “拉索”探測伽馬射線暴(GRB221009A)藝術圖(由中國科學院供圖)
詳細來說就是“拉索”首次精確地觀測了伽馬暴余暉的完整過程，記錄了萬億電子伏特伽馬射線流量增強和衰減的整個階段，如圖1所示。由圖可明顯發現在不到兩秒的時間內流量增強了100多倍，之后的緩慢增長行為符合余暉的預期特征。早期如此快速的增強現象超出了以往理論模型的預期，究竟存在著什么樣的機制?此次發表的觀測結果將會引發科學界對伽馬暴能量注入、光子吸收、粒子加速等機制的深入探討。
除了余暉在極早期階段的上升，“拉索”還看到了余暉在700 s后出現了快速下降，這一現象被認為是我們看到了噴流的邊緣。以前天文學家也觀測到了很多相關的實驗證據，但是這些現象往往都出現在幾個小時之后。“拉索”的這次觀測，是人們第一次在數百秒時就看到了余暉的光變拐折，這對我們理解噴流及其產生機制有巨大的幫助。光變拐折曲線可以解釋為爆炸后的拋射物是噴流狀的結構，當輻射張角擴展到噴流的邊緣時造成亮度快速下降。由于這個亮度轉折發生時間極早，由此測出噴流的張角也極小，僅0.8°。這是迄今知道的最小張角的噴流，意味著觀測到的實際上是一個典型內亮外暗噴流的最明亮的核心。正是由于觀測者碰巧正對著噴流最明亮的核心，自然地解釋了為什么這個伽馬射線暴是歷史上最亮的。在這個事件持續的十分鐘內，“拉索”記錄到的光子數超過了過去幾年對“標準燭光”蟹狀星云的觀測積累。如果把選擇條件降低，測量到的伽馬光子數甚至可以達到10萬。對比同能區其他實驗裝置，甚至是專門設計來追蹤伽馬暴的設備，它們測到的光子數目僅在千個以下的水平，且都只測到了爆炸過后60 s以后的余暉。
鑒于此次爆發千年不遇的稀缺性，這個觀測結果預期將在今后幾十甚至上百年內保持最佳。憑借對上萬個伽馬暴的觀測，科學家們已經建立了似乎完美的理論模型，甚至于對它深信不疑了。“拉索”實現了其他實驗未能達到的高能量波段光變過程的教科書式的完整觀測，對理論模型的精確檢驗提供了實驗基礎。
截至目前，本次伽馬暴爆炸事件還有其他的許多新發現，科學家們還在不懈地深耕“拉索”的數據，力圖揭示更多的奧秘，敬請等待“拉索”的后續數據分析成果。
02
實驗背景介紹
伽馬暴是宇宙大爆炸之后最劇烈的天體爆炸現象，是指來自天空中某一方向的伽馬射線突然增強的閃爍現象。最初是1967年由用于監測核試驗的Vela衛星發現的[8]。從發現以來，伽馬暴一直是天體物理學家關注的熱點。在觀測時間上伽馬暴短至千分之一秒，長則數小時。短時間的伽馬暴是由兩顆鄰近的致密星體(黑洞或中子星)并合產生，而長時間的伽馬暴是由巨大恒星(超級恒星)在燃料耗盡時塌縮爆炸產生。擁有非熱形態的拐折冪律譜，光變曲線復雜且具備快速變化，有著不規則的多脈沖形態。一次伽馬暴釋放的各向同性輻射能可以達到約1053 erg的量級，甚至更高。
“拉索”于2021年7月建成并全部投入運行，采用通用的國際合作模式，實現設施平臺與觀測數據的開放共享。目前，已有32個國內外天體物理研究機構成為“拉索”的國際合作組成員單位，成員約280人。
圖3 高海拔宇宙線觀測站的構成與布局
“拉索”位于四川省稻城縣海子山，平均海拔4410 m，占地面積約1.36平方公里。“拉索”由三個陣列組成：5216個電磁粒子探測器與1188個繆子探測器聯合構成的1平方公里的地面簇射粒子探測器陣列(KM2A)、3120個探測單元構成的78000 m2的水切連科夫探測器陣列(WCDA)、18臺望遠鏡構成的廣角切連科夫望遠鏡陣列(WFCTA)，可以寬波段、多手段地測量來自于高能天體的伽馬射線和宇宙線，開展天體物理等方面的研究，圖3是“拉索”的構成與布局圖。
圖4 水切連科夫探測器陣列示意圖。整個裝置由3個大型水池構成，分別標志成150×150 m2的WCDA-1和WCDA-2(a)，300×110 m2 WCDA-3(b)，三個水池的有效水深為4.5 m;(c，d)利用黑色隔光簾每25 m2組成一個探測單元，在每個探測單元的底部放置兩個光敏探頭(光電倍增管，PMT)，其中WCDA-1是8英寸和1.5英寸的組合，WCDA-2和WCDA-3是20英寸和3英寸的組合，共計有6240個光敏探頭
本次觀測成果主要由其中的水切連科夫探測器陣列提供，探測示意圖如圖4所示。該探測器利用36萬噸純凈水作為介質，通過水底放置的6240支不同尺寸的光敏探頭，測量伽馬射線或宇宙線在大氣層中運動與作用過程的次級產物如低能伽馬光子、正負電子等，它們會在水中產生切連科夫光信號。該陣列對伽馬射線的觀測能量范圍跨域兩個量級，在千億電子伏特到十萬億電子伏特之間，且具有寬視場、全天候的特點，對伽馬暴這樣的突發天體現象的捕捉式觀測具有突出優勢。
