中新網(wǎng)北京3月29日電 (記者 孫自法)作為宇宙大爆炸之后最劇烈的爆炸現(xiàn)象，伽馬射線暴(伽馬暴)長期以來一直是天體物理學(xué)家持續(xù)跟蹤觀測(cè)和聚焦研究的重要領(lǐng)域。

發(fā)現(xiàn)迄今最大亮度伽馬暴

中國科學(xué)院高能物理研究所(中科院高能所)與全球40余家科研機(jī)構(gòu)北京時(shí)間29日凌晨聯(lián)合發(fā)布，基于中國“慧眼”衛(wèi)星(Insight-HXMT)和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡(GECAM-C)對(duì)產(chǎn)生于距離地球24億光年宇宙深處、編號(hào)GRB 221009A伽馬暴的高精度測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其具有迄今觀測(cè)到的最大亮度，一舉將伽馬暴的亮度紀(jì)錄提升了50倍。

(相關(guān)資料圖)

通過“慧眼”“極目”在硬X射線和軟伽馬能段對(duì)GRB 221009A伽馬暴的瞬時(shí)輻射和早期余輝成功進(jìn)行迄今國際最高精度的測(cè)量，不僅實(shí)現(xiàn)精確探測(cè)迄今最亮伽馬暴，而且發(fā)現(xiàn)其各向同性能量也打破紀(jì)錄，相當(dāng)于在1分鐘內(nèi)釋放8個(gè)太陽質(zhì)量的全部能量，還揭示該伽馬暴產(chǎn)生了極為狹窄、極端明亮、接近光速運(yùn)動(dòng)的噴流。

本項(xiàng)重要研究工作由中科院粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)銜來自中國、美國、意大利、法國、德國等30余家研究機(jī)構(gòu)的國際合作團(tuán)隊(duì)完成，相關(guān)成果論文已在預(yù)印本平臺(tái)上在線發(fā)布。中科院高能所粒子天體物理中心副主任、“極目”空間望遠(yuǎn)鏡首席科學(xué)家熊少林研究員，中科院高能所粒子天體物理中心主任、“慧眼”衛(wèi)星首席科學(xué)家張雙南研究員，美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校張冰教授為論文共同通訊作者，國際合作團(tuán)隊(duì)另有175人為論文署名作者。

千年一遇的天體爆發(fā)事件

研究團(tuán)隊(duì)科普介紹說，伽馬暴包括兩種類型，一類產(chǎn)生于很大質(zhì)量恒星的核心坍縮爆炸，持續(xù)時(shí)間通常長于2秒，此次發(fā)現(xiàn)的迄今最亮伽馬暴即屬于此類；另一類產(chǎn)生于兩顆極端致密天體(中子星、黑洞等)的合并爆炸，持續(xù)時(shí)間通常短于2秒，并同時(shí)發(fā)出引力波。

這兩類天體爆炸均能產(chǎn)生一顆黑洞或中子星等極端致密天體，其通過極強(qiáng)引力吞噬周圍物質(zhì)并以接近光速從兩極噴射物質(zhì)，形成一對(duì)相反方向的噴流。噴流內(nèi)部的激波或磁重聯(lián)等過程加速帶電粒子產(chǎn)生伽馬射線輻射，稱為瞬時(shí)輻射。噴流和周圍的星際介質(zhì)相互作用也能產(chǎn)生輻射，稱為余輝。只有噴流恰好對(duì)準(zhǔn)地球時(shí)，人類才有機(jī)會(huì)探測(cè)到這些輻射。

自從1967年人類發(fā)現(xiàn)首個(gè)伽馬暴至今，科學(xué)家們已探測(cè)到近萬例伽馬暴。2022年10月9日，包括中科院高能所牽頭研制建設(shè)的空間和地面觀測(cè)設(shè)備在內(nèi)，全球眾多天文設(shè)施均觀測(cè)到GRB 221009A伽馬暴，它具有極端的亮度和相對(duì)較近(距地球24億光年)的距離，從而使其成為名副其實(shí)的千年一遇的歷史性天體爆發(fā)事件。

張雙南研究員解釋說，雖然宇宙中肯定還存在亮度更高的伽馬暴，但由于其噴流正好指向地球且被探測(cè)到的機(jī)會(huì)非常難得，因此，本次研究精確探測(cè)到迄今最亮伽馬暴“是千年甚至萬年一遇的事件”。

“慧眼”“極目”為何能精確探測(cè)

既然全球眾多天文設(shè)施均觀測(cè)到GRB 221009A伽馬暴，為什么中國“慧眼”“極目”能對(duì)其實(shí)施迄今國際最高精度的測(cè)量、實(shí)現(xiàn)精確探測(cè)？

熊少林研究員指出，中國專門為探測(cè)伽馬暴和引力波電磁對(duì)應(yīng)體而建造的“極目”空間望遠(yuǎn)鏡和中國首臺(tái)空間X射線天文望遠(yuǎn)鏡“慧眼”衛(wèi)星聯(lián)合，在硬X射線和軟伽馬射線能段精確刻畫了GRB 221009A伽馬暴從前兆輻射到主暴、耀發(fā)以及早期余輝的各個(gè)關(guān)鍵階段的輻射性質(zhì)。

其中，“極目”正好處于能夠記錄極高伽馬射線流強(qiáng)的特殊觀測(cè)模式，避免了因極端亮度而容易產(chǎn)生的各種儀器效應(yīng)(包括數(shù)據(jù)飽和丟失、信號(hào)堆積、死時(shí)間過大等)，成功對(duì)該伽馬暴極端明亮的主暴進(jìn)行完整而精確的探測(cè)。同時(shí)，“慧眼”配備的高能X射線望遠(yuǎn)鏡憑借其在兆電子伏能區(qū)最大的有效面積，成功探測(cè)到該伽馬暴，并獲得其前兆輻射和早期余輝的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

基于“極目”的精確觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)GRB 221009A伽馬暴具有迄今探測(cè)到的最高的亮度，并將伽馬暴亮度紀(jì)錄提升了50倍，并發(fā)現(xiàn)該伽馬暴的各向同性能量也打破紀(jì)錄，相當(dāng)于在1分鐘內(nèi)釋放8個(gè)太陽質(zhì)量的全部能量。

與此同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)“慧眼”“極目”聯(lián)合觀測(cè)結(jié)果推測(cè)，GRB 221009A伽馬暴的余輝由慢衰減到快衰減的拐折出現(xiàn)得非常早，意味著產(chǎn)生伽馬射線的噴流非常狹窄，是人類探測(cè)到的最狹窄的伽馬暴噴流之一。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，極為狹窄的噴流可能是該伽馬暴看上去極端明亮的原因之一。因此，本次迄今最亮伽馬暴的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)和研究成果，也為學(xué)界深入理解類似極端宇宙爆發(fā)現(xiàn)象提供了嶄新視角。

天地聯(lián)合觀測(cè)獲多項(xiàng)首次發(fā)現(xiàn)

據(jù)中科院高能所介紹，“慧眼”衛(wèi)星和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)工程均由該所提出和牽頭研制。其中，“慧眼”2017年6月成功發(fā)射以來，衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運(yùn)行超過5年，已在黑洞、中子星、快速射電暴等領(lǐng)域取得一系列重要成果；“極目”(也稱“懷柔一號(hào)”)衛(wèi)星則是中科院空間科學(xué)(二期)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)支持的機(jī)遇型空間科學(xué)項(xiàng)目。

參與本次迄今最亮伽馬暴發(fā)現(xiàn)和研究的是“極目”系列第三顆空間載荷——“極目”空間望遠(yuǎn)鏡，其于2022年7月搭載中國空間新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星(SATech-01)發(fā)射入軌。“極目”采用一系列創(chuàng)新的探測(cè)技術(shù)，并開創(chuàng)性使用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)短報(bào)文服務(wù)實(shí)現(xiàn)星地準(zhǔn)實(shí)時(shí)通訊，已發(fā)現(xiàn)一大批伽馬暴、磁星爆發(fā)、快速射電暴的高能對(duì)應(yīng)體、太陽耀斑以及地球伽馬閃等高能爆發(fā)現(xiàn)象。

中科院高能所透露，在對(duì)GRB 221009A伽馬暴千年一遇的歷史性觀測(cè)中，該所地面大科學(xué)裝置——高海拔宇宙線觀測(cè)站(英文縮寫LHAASO，中文昵稱“拉索”)與兩大空間設(shè)施“慧眼”“極目”還開展了天地聯(lián)合觀測(cè)，其中，“拉索”利用其大量的甚高能觀測(cè)數(shù)據(jù)，也收獲多項(xiàng)重要首次發(fā)現(xiàn)，將于成果論文發(fā)表后對(duì)外公布。