中國驕傲｜“慧眼”“極目”聯(lián)手探測迄今最亮伽馬暴 揭開宇宙大爆炸之謎

【導(dǎo)語】伽馬射線暴簡稱伽馬暴，是目前已知、宇宙大爆炸之后最劇烈的爆炸現(xiàn)象。自從1967年首個伽馬暴被發(fā)現(xiàn)以來，人類至今已探測到近萬例伽馬暴。但是它們是如何產(chǎn)生的？為何能釋放如此多的能量，至今仍是個謎。

2022年10月9日，中國“慧眼”衛(wèi)星與“極目”空間望遠(yuǎn)鏡探測到人類有史以來最亮的伽馬暴(編號GRB 221009A)。近日，中國科學(xué)院高能物理研究所(中科院高能所)在北京與全球40余家科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)布了對這一伽馬暴的研究成果。

千年一遇的迄今最大亮度伽馬暴

伽馬暴長期以來一直是天體物理學(xué)家持續(xù)跟蹤觀測和聚焦研究的重要領(lǐng)域。中科院高能所與全球40余家科研機(jī)構(gòu)3月29日聯(lián)合發(fā)布，基于中國“慧眼”衛(wèi)星和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡對產(chǎn)生于距離地球24億光年宇宙深處、編號GRB 221009A伽馬暴的高精度測量，發(fā)現(xiàn)其具有迄今觀測到的最大亮度，一舉將伽馬暴的亮度紀(jì)錄提升了50倍。

通過“慧眼”“極目”在硬X射線和軟伽馬能段對GRB 221009A伽馬暴的瞬時輻射和早期余輝成功進(jìn)行迄今國際最高精度的測量，不僅實(shí)現(xiàn)精確探測迄今最亮伽馬暴，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)動的噴流。

迄今發(fā)現(xiàn)的最亮伽馬射線暴（GRB 221009A）想象圖。（圖源：中國科學(xué)院高能物理研究所）

值得關(guān)注的是，這次伽馬暴產(chǎn)生于距離地球24億光年的宇宙深處，具有極高亮度和相對較近的距離，是千年一遇的重要天文事件。中科院高能所研究員、“慧眼”衛(wèi)星首席科學(xué)家張雙南解釋說，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到的機(jī)會非常難得，因此，本次研究精確探測到迄今最亮伽馬暴“是千年甚至萬年一遇的事件”。

中科院高能所研究員、“極目”空間望遠(yuǎn)鏡首席科學(xué)家熊少林說，當(dāng)天全球眾多天文設(shè)施都接收到了信號，但由于伽馬暴主暴的亮度過高，很多天文設(shè)施都被“亮瞎眼”，未能獲得有效數(shù)據(jù)。只有進(jìn)行了特殊創(chuàng)新設(shè)計的“極目”空間望遠(yuǎn)鏡避免了因極端亮度產(chǎn)生的數(shù)據(jù)飽和丟失、信號堆積等問題，成功對主暴進(jìn)行了完整精確的探測。

與此同時，中國首臺空間X射線天文望遠(yuǎn)鏡“慧眼”衛(wèi)星雖然錯過了主暴，但憑借其配備的強(qiáng)大載荷，成功獲得了伽馬暴前兆輻射和早期余輝的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。張雙南研究員說，“慧眼”和“極目”的數(shù)據(jù)合到一起，精確測量了伽馬暴完整爆發(fā)過程。

“慧眼”與“極目”如何實(shí)現(xiàn)精確探測？

事實(shí)上 ，伽馬暴根據(jù)來源可分為兩種類型，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)時間通常短于2秒，并同時發(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。只有噴流恰好對準(zhǔn)地球時，人類才有機(jī)會探測到這些輻射。

伽馬射線暴的成分。（圖源：央視新聞）

在對GRB 221009A伽馬暴的觀測中，“慧眼”衛(wèi)星和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合，在硬X射線和軟伽馬射線能段，精確刻畫了該伽馬暴從前兆輻射到主暴、耀發(fā)以及早期余輝的各個關(guān)鍵階段的輻射性質(zhì)。

其中，“極目”空間望遠(yuǎn)鏡正好處于能夠記錄極高伽馬射線流強(qiáng)的特殊觀測模式，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、信號堆積、死時間過大等)，成功對該伽馬暴極端明亮的主暴進(jìn)行了完整而精確的探測。而“慧眼”衛(wèi)星配備的高能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，成功探測到該伽馬暴，并獲得了其前兆輻射和早期余輝的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

基于“極目”空間望遠(yuǎn)鏡的精確觀測數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)該伽馬暴具有迄今探測到的最高的亮度，并將伽馬暴亮度紀(jì)錄提升了50倍，并發(fā)現(xiàn)這個伽馬暴的各向同性能量也打破紀(jì)錄，超過了10的55次方爾格，相當(dāng)于在1分鐘內(nèi)釋放8個太陽質(zhì)量的全部能量！

從“慧眼”和“極目”的聯(lián)合觀測結(jié)果可以推測，該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，是人類探測到的最狹窄的伽馬暴噴流之一。研究團(tuán)隊認(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“慧眼”和“極目”的觀測研究對于深入理解這種極端宇宙爆發(fā)現(xiàn)象提供了嶄新視角。

天地多手段聯(lián)合觀測獲多項首次發(fā)現(xiàn)

迄今最亮伽馬射線暴（GRB 221009A）爆發(fā)時刻在高海拔宇宙線觀測站“拉索”視場中的位置。（圖源：中國科學(xué)院高能物理研究所）

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”衛(wèi)星由李惕碚、吳枚等人于1993年提出項目建議，2011年獲得工程立項。自2017年6月15日發(fā)射升空以來，“慧眼”衛(wèi)星已在軌穩(wěn)定運(yùn)行超過5年，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”)衛(wèi)星則是中科院空間科學(xué)(二期)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項支持的機(jī)遇型空間科學(xué)項目。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)試驗衛(wèi)星(SATech-01)發(fā)射入軌?！皹O目”采用一系列創(chuàng)新的探測技術(shù)，并開創(chuàng)性使用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)短報文服務(wù)實(shí)現(xiàn)星地準(zhǔn)實(shí)時通訊，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GRB 221009A伽馬暴千年一遇的歷史性觀測中，該所地面大科學(xué)裝置——高海拔宇宙線觀測站“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，其中，“拉索”利用其大量的甚高能觀測數(shù)據(jù)，也收獲多項重要首次發(fā)現(xiàn)，將于成果論文發(fā)表后對外公布。

中國已處于世界高能天體物理研究前沿

“慧眼”衛(wèi)星和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡觀測迄今最亮伽馬射線暴示意圖 。（圖源：中國科學(xué)院高能物理研究所）

中科院前沿科學(xué)與教育局副局長盧方軍研究員表示，此次研究成果由全球40余家科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)布，參與“慧眼”和“極目”的相關(guān)研究人員來自中外30多個科研院所。由中科院粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗室牽頭的國際合作團(tuán)隊撰寫的論文，投稿到中國創(chuàng)辦的國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《國家科學(xué)評論》，共同署名的作者多達(dá)178位，來自中國、美國、意大利、德國、法國等30余家研究機(jī)構(gòu)，這充分說明國際合作對于科學(xué)研究的重要性。

中科院高能所所長王貽芳院士介紹，該所一直是中國粒子天體物理研究的引領(lǐng)者，經(jīng)過幾十年發(fā)展，實(shí)驗平臺也從高山逐漸發(fā)展到氣球、衛(wèi)星和未來的空間站，研制出“慧眼”“極目”等重大設(shè)施，在X-射線天文領(lǐng)域逐漸走到世界前列。中科高能所天地一體化的多信使觀測能力高速發(fā)展，已取得一系列重大觀測成果，有望成為國際粒子天體物理研究的領(lǐng)先研究機(jī)構(gòu)。

意大利費(fèi)拉拉大學(xué)菲利波·弗龍?zhí)├淌谡J(rèn)為，在對這次聯(lián)合發(fā)布天體事件的眾多觀測里，破紀(jì)錄的GRB 221009A伽馬暴的結(jié)果非常具有挑戰(zhàn)性和獨(dú)特性，其極高質(zhì)量的數(shù)據(jù)源于中國“慧眼”和“極目”儀器的巧妙設(shè)計，而只有在一個非常有經(jīng)驗的團(tuán)隊中，這些優(yōu)秀的設(shè)計才能圓滿完成。

“如今，中國已處于世界高能天體物理學(xué)研究的前沿，這一點(diǎn)無可置疑”，德國圖賓根大學(xué)安德烈亞·圣安杰洛教授說，在未來幾年里，中國的這種領(lǐng)導(dǎo)力將變得更加強(qiáng)大。愛因斯坦探針衛(wèi)星(EP)將于今年年底發(fā)射、中法天文衛(wèi)星(SVOM)將于2024年發(fā)射，中國空間站高能宇宙輻射探測設(shè)施(HERD)計劃于2027年左右發(fā)射……所有這些空間項目，都將使中國在高能天體物理領(lǐng)域中發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)作用。

(資料來源：新華社、央視新聞、中新網(wǎng)、人民日報海外版)