千年一遇！迄今最亮伽馬射線暴，“慧眼”“極目”如何聯(lián)合捕捉到？

3月29日凌晨2點(diǎn)，中國(guó)、美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家和地區(qū)的科學(xué)家同時(shí)發(fā)布了一則重磅新聞，報(bào)告了對(duì)一次“千年一遇”“史上最亮”的伽馬射線暴（GRB 221009A）的研究成果。

撰文/特約記者 李鵬 圖文編輯/陳永杰

新媒體編輯/呂冰心

采訪專家：

張雙南（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員）

伽馬射線暴是如何產(chǎn)生？為什么它在短短的幾分鐘內(nèi)，甚至幾秒鐘內(nèi)釋放出來(lái)非常巨大的能量，比太陽(yáng)在100億年的壽命里面釋放的能量總和還要多？現(xiàn)在全球的科學(xué)家們正在針對(duì)這些問(wèn)題苦苦尋找答案。

來(lái)自24億光年之外宇宙深處的一次超級(jí)閃爆，2022年10月傳播到了地球上空，這次中國(guó)的科學(xué)家們和國(guó)際科學(xué)界的同行們一道抓住了它，中國(guó)的空間望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合觀測(cè)立下了汗馬功勞。

北京時(shí)間3月29日凌晨2點(diǎn)，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所（以下簡(jiǎn)稱中科院高能所）與全球40余家科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)布了對(duì)迄今最亮伽馬射線暴（簡(jiǎn)稱伽馬暴）GRB 221009A的研究成果，我國(guó)自主研發(fā)的“慧眼”衛(wèi)星（Insight-HXMT）和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡(GECAM-C)多項(xiàng)探測(cè)均打破了記錄。

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

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中國(guó)對(duì)這個(gè)千年一遇天體做出獨(dú)特貢獻(xiàn)

2022年10月9日21點(diǎn)17分（北京時(shí)間），我國(guó)高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO，拉索）、“慧眼”衛(wèi)星（Insight-HXMT）和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡（GECAM-C）同時(shí)探測(cè)到迄今最亮的伽馬射線暴（編號(hào)GRB 221009A），這是我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)對(duì)伽馬射線暴的天地多手段聯(lián)合觀測(cè)。

GRB 221009A創(chuàng)記錄的爆發(fā)，幾乎吸引了全球主流天文觀測(cè)和研究機(jī)構(gòu)的目標(biāo)，而后相關(guān)數(shù)據(jù)處理和研究也進(jìn)入緊張的開(kāi)展之中。中科院高能所牽頭研制的“慧眼”衛(wèi)星和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡(GECAM-C)憑借獨(dú)特的設(shè)計(jì)，和特殊的工作模式，成功地在硬X射線和軟伽馬能段對(duì)該伽馬射線暴的瞬時(shí)輻射和早期余輝進(jìn)行了國(guó)際最高精度的測(cè)量。

基于“極目”空間望遠(yuǎn)鏡的精確觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)該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。由于這個(gè)伽馬射線暴距離地球十分遙遠(yuǎn)，對(duì)于它發(fā)出的所有伽馬射線來(lái)說(shuō)，人類探測(cè)到的只是滄海一粟。通常我們無(wú)法知曉伽馬射線暴向我們視線之外的方向輻射了多少能量，假設(shè)伽馬暴向各個(gè)方向輻射了幾乎相同數(shù)量的伽馬射線，那么根據(jù)我們探測(cè)到的伽馬射線和伽馬暴的距離，可計(jì)算該伽馬暴向各個(gè)方向發(fā)出的所有伽馬射線的總能量，即各向同性能量。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)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(yáng)質(zhì)量的全部能量，還揭示其產(chǎn)生了極為狹窄、極端明亮、接近光速運(yùn)動(dòng)的噴流，對(duì)這個(gè)千年一遇的天體爆發(fā)的研究做出了獨(dú)特貢獻(xiàn)。

據(jù)悉，本項(xiàng)工作由中科院粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室牽頭的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)完成，成員來(lái)自中國(guó)、美國(guó)、意大利、法國(guó)、德國(guó)等30余家研究機(jī)構(gòu)，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(guó)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(guó)際合作團(tuán)隊(duì)另有175人為論文署名作者。

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什么是伽馬射線暴？這次為何很特殊？

伽馬射線暴（Gamma Ray Burst，縮寫GRB），又稱伽馬暴，是來(lái)自天空中某一方向的伽馬射線強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)突然增強(qiáng)，隨后又迅速減弱的現(xiàn)象，是宇宙大爆炸之后最劇烈的爆炸現(xiàn)象，被稱為宇宙中最強(qiáng)大的事件。

伽馬射線暴通常由爆炸的恒星產(chǎn)生，這些恒星在它們生命周期的最后階段會(huì)發(fā)生劇烈的爆炸。這種爆炸會(huì)釋放大量的能量，包括伽馬射線、X射線和可見(jiàn)光。伽馬射線暴的一種類型稱為長(zhǎng)暴，它們持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)通常長(zhǎng)于2秒，有的達(dá)到幾十秒至數(shù)分鐘，甚至是更長(zhǎng)的時(shí)間。此次發(fā)現(xiàn)的伽馬暴即屬于此類。還有一類短暴則持續(xù)時(shí)間在2秒以內(nèi)持續(xù)時(shí)間。長(zhǎng)暴一般認(rèn)為產(chǎn)生于很大質(zhì)量恒星的核心坍縮爆炸，由超新星爆炸形成，而短暴產(chǎn)生于兩顆極端致密天體（中子星、黑洞等）的合并爆炸，同時(shí)會(huì)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(guò)極強(qiáng)引力吞噬周圍物質(zhì)并以接近光速?gòu)膬蓸O噴射物質(zhì)，形成一對(duì)相反方向的噴流。其中，噴流內(nèi)部的激波或磁重聯(lián)等過(guò)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)相互作用產(chǎn)生的輻射，稱為余輝。

自從1967年人類發(fā)現(xiàn)首個(gè)伽馬暴以來(lái)，已探測(cè)到近萬(wàn)例伽馬暴。2022年10月9日，包括中科院高能所牽頭建造的空間和地面觀測(cè)設(shè)備在內(nèi)的全球眾多天文設(shè)施均觀測(cè)到GRB 221009A這個(gè)迄今最亮的伽馬射線暴，并發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生于銀河系之外、距離地球24億光年的宇宙深處。該伽馬暴具有極端的亮度和相對(duì)較近的距離，并且被人類得以成功捕捉，使其成為名副其實(shí)的千年一遇的歷史性事件。

中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員張雙南解釋說(shuō)，雖然宇宙中伽馬射線暴有很多，也肯定還存在亮度更高的伽馬暴，但其噴流正好指向地球且被探測(cè)到的機(jī)會(huì)卻是非常難得，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。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(wàn)年都難碰到的。

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中國(guó)利器聯(lián)合協(xié)同成功捕捉

在本次歷史性的觀測(cè)中，來(lái)自中國(guó)的科研利器發(fā)揮了一些獨(dú)特的作用。中科院高能物理研究所牽頭建造的高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）、與“慧眼”衛(wèi)星和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡開(kāi)展的天地聯(lián)合觀測(cè)至關(guān)重要。

“慧眼”衛(wèi)星和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡專門為探測(cè)伽馬暴和引力波電磁對(duì)應(yīng)體而建造，在GRB 221009A的觀測(cè)中，這兩個(gè)觀測(cè)利器有效聯(lián)合，在硬X射線和軟伽馬射線能段，非常精確地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(gè)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(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(guò)大等），成功對(duì)該伽馬暴極端明亮的主暴進(jìn)行了完整而精確的探測(cè)。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(cè)到該伽馬射線暴，并獲得了其前兆輻射和早期余輝的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

▲“慧眼”衛(wèi)星和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)迄今最亮伽馬暴示意圖 （供圖/中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所）

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“慧眼”和“極目”為何這么牛？

據(jù)了解，“慧眼”衛(wèi)星和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡均由高能所提出和牽頭研制。“慧眼”和“極目”在探測(cè)GRB 221009A伽馬射線暴上能夠立下汗馬功勞，與這兩個(gè)項(xiàng)目的一些獨(dú)特本領(lǐng)有很大的關(guān)系。

“慧眼”衛(wèi)星是我國(guó)首臺(tái)空間X射線天文望遠(yuǎn)鏡，由中國(guó)科學(xué)院院士李惕碚，以及吳枚等人于1993年提出項(xiàng)目建議，2011年獲得工程立項(xiàng)。自2017年6月15日發(fā)射升空以來(lái)，“慧眼”衛(wèi)星已在軌穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)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。2017年“慧眼”衛(wèi)星已經(jīng)初露鋒芒，當(dāng)年8月17日，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）首次捕捉到來(lái)自雙中子星并合產(chǎn)生的引力波信號(hào)。該事件發(fā)生時(shí)，全球僅有4臺(tái)X射線和伽馬射線望遠(yuǎn)鏡成功監(jiān)測(cè)到爆發(fā)天區(qū)，“慧眼”便是其中之一。本來(lái)“慧眼”的設(shè)計(jì)壽命只有4年，但因?yàn)闋顟B(tài)良好，就被延長(zhǎng)了運(yùn)行時(shí)間。沒(méi)有想到延期運(yùn)行2年以后，“慧眼”再次顯神威。

我國(guó)的“極目”空間望遠(yuǎn)鏡是中國(guó)科學(xué)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，由中科院高能所于2016年提出項(xiàng)目建議，2018年獲得工程立項(xiàng)。2020年“極目”空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目才首次發(fā)射升空，除了直接觀測(cè)引力波、伽馬暴等高能天體爆發(fā)現(xiàn)象，該空間望遠(yuǎn)鏡的另一大任務(wù)是為各種類型的高能天體爆發(fā)“站崗放哨”。一旦“極目”發(fā)現(xiàn)爆發(fā)天體，便立即將相關(guān)信息下傳至地面，引導(dǎo)地面和其他空間天文觀測(cè)設(shè)備迅速開(kāi)展后續(xù)觀測(cè)。

參與本次發(fā)現(xiàn)的是“極目”系列的第三個(gè)載荷（編號(hào)GECAM-C），其于2022年7月27日搭載中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院牽頭研制的空間新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星（SATech-01）發(fā)射入軌?！皹O目”系列衛(wèi)星采用了一系列創(chuàng)新的探測(cè)技術(shù)，并開(kāi)創(chuàng)性地使用北斗導(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(yáng)耀斑以及地球伽馬閃等高能爆發(fā)現(xiàn)象。

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期待更大的伽馬射線暴研究成果

“慧眼”和“極目”對(duì)GRB 221009A伽馬射線暴的聯(lián)合觀測(cè)結(jié)果可以推測(cè)，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，這是人類探測(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“慧眼”和“極目”的觀測(cè)研究對(duì)于深入理解這種極端宇宙爆發(fā)現(xiàn)象提供了嶄新視角。

意大利費(fèi)拉拉大學(xué)菲利波弗龍?zhí)├淌诒硎?，在?duì)這次事件的眾多觀測(cè)里，破紀(jì)錄的GRB221009伽馬射線暴的結(jié)果是非常具有挑戰(zhàn)性和獨(dú)特性的，這些極高質(zhì)量的數(shù)據(jù)源于“慧眼”和“極目”的巧妙設(shè)計(jì)，在探測(cè)任務(wù)中它們所獲得的數(shù)據(jù)的獨(dú)特組合也提供了切實(shí)的證據(jù)，證明伽馬射線暴引擎可以發(fā)射非常狹窄而準(zhǔn)直的噴流，為研究這些新生致密星的產(chǎn)生和活動(dòng)提供了嶄新的線索。

中科院院士、清華大學(xué)教授、中科院高能物理所研究員李惕碚表示，這次歷史上最強(qiáng)的伽馬射線暴依舊充滿了很多未知，在本次伽馬射線暴的觀測(cè)中，中國(guó)天地協(xié)同的科學(xué)裝置觀測(cè)獲得很多獨(dú)特的、有價(jià)值的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，但是接下來(lái)中國(guó)的科學(xué)家們需要充分利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，同時(shí)將觀測(cè)成果上升到理論研究上來(lái)，希望能夠在伽馬射線暴的理論研究中取得重大成果和新突破。

出品：科普中央廚房

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