逆康普顿散射打造“史上最强的光” 精准观测揭秘高能辐射成因

宇宙深处，一颗恒星即将死亡，它爆发出的惊人能量以光速前进，跨越50亿光年旅程，突然造访地球……

今年1月，人类观测到有史以来最强的伽马射线暴，其释放的光子能量在0.2—1万亿电子伏特之间，其总辐射能量甚至超过了太阳在过去100亿年中释放的能量总和，堪称“史上最强的光”。

近日，《自然》杂志发表了3篇论文，详细阐述了这些高能光子如何形成。为此，记者采访了南京大学天文与空间科学学院长江学者戴子高教授。

强大的射线起源仍是谜

伽马射线是一种电磁辐射，主要来源于原子核的衰变，一个伽马光子的能量是普通可见光中光子能量的100万倍。伽马射线暴，简称伽马暴，是宇宙中伽马射线强度在短时间内突然增强，随后又迅速减弱的现象。

伽马暴的持续时间不长，通常只有几毫秒到几千秒，分为持续时间小于2秒的短暴与大于2秒的长暴。

伽马暴的威力如此之强，所以一旦发生，被它近距离照射的区域将被“彻底清空”，任何生命都逃不过它的攻击。

那么，威力惊人的伽马暴究竟是如何产生的呢?令人遗憾的是，伽马暴仍是宇宙最大谜团之一。虽然，它早在1967年就被发现，但几十年来，人们对其本质仍不清楚。

一般认为，长暴是在超大质量恒星耗尽核燃料时发生的。当恒星的核心坍缩为黑洞或中子星后，像喷泉一样的物质喷流以接近光速的速度向外冲出，这个过程就会产生伽马暴，同时可能产生超新星爆发。而短暴，研究人员认为，是由两个中子星碰撞产生的。当两个中子星碰撞时，也会产生黑洞或中子星，像长暴一样，也有喷流以接近光速的速度向外冲出，进而形成伽马暴，同时产生引力波事件，如GW170817。

精准观测揭秘高能辐射成因

从发现伽马暴的那天起，人类就迫切地想弄明白它的起源和辐射机制。不过，它发生得太突然，以至于科学家还没来得及将观测设备对准它时，就已经结束了。

但这次与过去不一样，得益于全球协作，有多个观测设备记录到这一惊人的伽马暴。科学家将这个来自宇宙深处的爆炸命名为GRB190114C，当它产生的伽马暴抵达地球时，被两颗卫星探测到。不到22秒，爆炸的坐标信息就已发送到全世界天文学家手中。

戴子高说，伽马暴的高能辐射机制一直是该领域的疑难问题。科学界认为，这样的辐射可能有三种成因，一是产生于高能电子的同步辐射，二是逆康普顿散射，三是强子过程(即高能质子与光子或高能质子与质子的相互作用)。

以前探测到的伽马暴的光子能量相对比较低，是电子同步辐射驱动的结果，这种情况比较常见。但是此次探测到的伽马射线光子能量极其惊人，显然不是来自同步辐射。

科学家将它与2018年7月的GRB180720B伽马暴进行对比研究，有了进一步发现，认为这种辐射机制来自逆康普顿散射。

“高能电子与低能光子发生碰撞，结果是高能电子把其能量转移给低能光子，获得了高能光子，这个过程为逆康普顿散射。”戴子高进一步解释说，这一次观测到的高能光子流量，明显高于同步辐射从低能段向高能段的延伸，所以它只能产生于相对论冲击波的逆康普顿散射。

伽马暴之所以广受关注，是因为它形成于宇宙早期阶段，科学家们可以利用它来研究早期宇宙的性质。

有科学家认为，这次伽马暴所发出的辐射能量是人类观测史上最强的，这也成为了天文学史上的一个里程碑。

“这次观测证实了伽马射线暴在MeV(兆电子伏特)能段的辐射机制为同步辐射，而在高能段的机制为逆康普顿散射。”戴子高说道。

另外，我国的“慧眼”硬X射线调制望远镜(HXMT)已于2017年发射运行，而空间变源监视器(SVOM)、爱因斯坦探针(EP)、X射线时变和偏振探测器(eXTP)以及引力波暴高能电磁对应体全天监测器(GECAM)等项目正处在不同的研究阶段，它们的成功实施将使我国在伽马暴探测上达到国际先进水平。未来，这些设备将为伽马暴研究贡献出中国学者的力量。