“慧眼”和“极目”精确探测最亮伽马暴

2023-03-29 13:33:57来源：新京报

北京时间3月29日凌晨2点，中国科学院高能物理研究所（以下简称高能所）与全球40余家科研机构联合发布对迄今最亮伽马射线暴（简称伽马暴）GRB 221009A的研究成果。

高能所牵头研制的慧眼卫星（Insight-HXMT）和极目空间望远镜(GECAM-C)成功地在硬X射线和软伽马能段对该伽马暴的瞬时辐射和早期余辉进行了国际最高精度的测量，发现其具有迄今观测到的最大亮度，将伽马暴的亮度纪录提升了50倍，同时发现其各向同性能量也打破纪录，相当于在1分钟内释放8个太阳质量的全部能量，对这个千年一遇的天体爆发的研究做出了独特贡献。

慧眼卫星和极目空间望远镜观测迄今最亮伽马暴示意图。高能所供图

(资料图片仅供参考)

天地联合观测到迄今最亮伽马暴

伽马暴是宇宙大爆炸之后最剧烈的爆炸现象，包括两种类型，一类产生于很大质量恒星的核心坍缩爆炸，持续时间通常长于2秒，另一类产生于两颗极端致密天体（中子星、黑洞等）的合并爆炸，持续时间通常短于2秒，并同时发出引力波。

据论文通讯作者、高能所研究员熊少林介绍，这两类天体爆炸均能产生一颗黑洞或中子星等极端致密天体，其通过极强引力吞噬周围物质，并以接近光速从两极喷射物质，形成一对相反方向的喷流。喷流内部的激波或磁重联等过程加速带电粒子产生伽马射线辐射，称为瞬时辐射。喷流和周围的星际介质相互作用也能产生辐射，称为余辉。只有喷流恰好对准地球时，人类才有机会探测到这些辐射。

论文通讯作者、美国内华达大学拉斯维加斯分校张冰教授称，自从1967年人类发现首个伽马暴以来，已探测到近万例伽马暴。在观测上，伽马射线会突然增多又消失，特点是频繁发生、能量很大，爆发时比银河系还亮。2022年10月9日，包括高能所牵头建造的空间和地面观测设备在内的全球上百台天文设施都观测到迄今最亮的伽马暴（编号GRB 221009A），其产生于距离地球24亿光年的宇宙深处，是持续时间长于2秒的长伽马暴。

迄今发现的最亮伽马射线暴（GRB 221009A）想象图。高能所供图

“最亮有两种可能，一个是离地球近，另外就是伽马暴本身能量和光度极大。”张冰说，距离地球24亿光年，在天文学上是相对较近的距离。它的能量是否也很大？科研人员进行了精准探测。

精确探测，伽马暴亮度纪录提升50倍

我国极目空间望远镜和我国首台空间X射线天文望远镜慧眼卫星联合，在硬X射线和软伽马射线能段精确刻画了该伽马暴从前兆辐射到主暴、耀发以及早期余辉的各个关键阶段的辐射性质。

其中，极目空间望远镜是专门为探测伽马暴和引力波电磁对应体而建造的。论文通讯作者、高能所研究员李新乔解释说，由于伽马暴主暴极端明亮，短时间内大量光子进入望远镜，容易产生各种仪器效应，比如数据饱和丢失、信号堆积等，就好比无法睁大了眼睛直视太阳一样。

但极目空间望远镜正好处于背景环境比较复杂的区域，设置了特殊观测模式，只留下了一个观测设备，关闭了其他设备，就好比眯起眼睛只留了一条缝并戴上了墨镜再看太阳，所以能够记录极高伽马射线流强，且避免了各种仪器效应，成功对该伽马暴极端明亮的主暴进行了完整而精确的探测。相比之下，国际上很多望远镜都没有设置这样的特殊观测模式。

慧眼卫星原本设计中并没有考虑伽马暴观测能力，在首席科学家张双南研究员的提议下，高能X射线望远镜主任设计师刘聪展研究员将一个辅助探测器改成伽马射线暴监视器，使其可以随时探测伽马射线的信号，此次正好派上用场，和极目空间望远镜进行了“神配合”。张双南说，慧眼卫星在做银道面扫描时，成功探测到该伽马暴，并获得了其前兆辐射和早期余辉的高质量数据。

基于极目空间望远镜的精确观测数据，研究团队发现该伽马暴具有迄今探测到的最高的亮度，并将伽马暴亮度纪录提升了50倍。该伽马暴具有极端的亮度和相对较近的距离，使其成为名副其实的千年一遇的历史性事件。

由于伽马暴距离地球十分遥远，对于它发出的所有伽马射线来说，科研人员探测到的只是沧海一粟。“通常，我们无法知晓伽马暴向我们视线之外的方向辐射了多少能量。假设伽马暴向各个方向辐射了几乎相同数量的伽马射线，那么根据我们探测到的伽马射线和伽马暴的距离，可计算该伽马暴向各个方向发出的所有伽马射线的总能量，即各向同性能量。”熊少林说，研究团队发现这个伽马暴的各向同性能量也打破纪录，超过了10的55次方尔格，相当于在1分钟内释放8个太阳质量的全部能量。

慧眼和极目的联合观测结果可以推测，该伽马暴的余辉由慢衰减到快衰减的拐折出现得非常早，意味着产生伽马射线的喷流非常狭窄，是人类探测到的最狭窄的伽马暴喷流之一。研究团队认为，极为狭窄的喷流可能是该伽马暴看上去极端明亮的原因之一。因此，本次慧眼和极目的观测研究对于深入理解这种极端宇宙爆发现象提供了崭新视角。

未来将开展国际合作，破解伽马暴难题

慧眼卫星和极目空间望远镜均由中科院高能所提出和牵头研制。

慧眼卫星由李惕碚、吴枚等人于1993年提出项目建议，2011年获得工程立项。高能所负责卫星有效载荷、地面应用系统和科学研究工作。自2017年6月15日发射升空以来，慧眼卫星已在轨稳定运行超过5年，在黑洞、中子星、快速射电暴等领域取得一系列重要成果。

“怀柔一号”极目(GECAM)卫星是中国科学院“空间科学”（二期）战略性先导科技专项支持的机遇型空间科学项目，由高能所于2016年提出项目建议，2018年获得工程立项。参与本次发现的是极目系列的第三个载荷，编号GECAM-C，其于2022年7月27日搭载空间新技术试验卫星（SATech-01）发射入轨。极目系列卫星采用了一系列创新的探测技术，并开创性地使用北斗导航系统短报文服务实现星地准实时通讯，已发现一大批伽马暴、磁星爆发、快速射电暴的高能对应体、太阳耀斑以及地球伽马闪等高能爆发现象。

熊少林表示，下一步，科研团队将进一步开展国际合作，破解伽马暴难题，同时，还将研究引力波和快速射电暴跟伽马暴的关系等。

新京报记者张璐

编辑唐峥校对刘军

（责任编辑：王治强 HF013）

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