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、美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)的科學(xué)家同時發(fā)布了一則重磅新聞，報告了對一次“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
采訪專家：
張雙南（中國科學(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)釋放出來非常巨大的能量，比太陽在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)家們正在針對這些問題苦苦尋找答案。
來自24億光年之外宇宙深處的一次超級閃爆，2022年10月傳播到了地球上空，這次中國的科學(xué)家們和國際科學(xué)界的同行們一道抓住了它，中國的空間望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合觀測立下了汗馬功勞。
北京時間3月29日凌晨2點(diǎn)，中國科學(xué)院高能物理研究所（以下簡稱中科院高能所）與全球40余家科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)布了對迄今最亮伽馬射線暴（簡稱伽馬暴）GRB 221009A的研究成果，我國自主研發(fā)的“慧眼”衛(wèi)星（Insight-HXMT）和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡(GECAM-C)多項探測均打破了記錄。
▲迄今發(fā)現(xiàn)的最亮伽馬射線暴（GRB 221009A）想象圖。（供圖/中國科學(xué)院高能物理研究所）
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中國對這個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（北京時間），我國高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，拉索）、“慧眼”衛(wèi)星（Insight-HXMT）和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡（GECAM-C）同時探測到迄今最亮的伽馬射線暴（編號GRB 221009A），這是我國首次實現(xiàn)對伽馬射線暴的天地多手段聯(lián)合觀測。
GRB 221009A創(chuàng)記錄的爆發(fā)，幾乎吸引了全球主流天文觀測和研究機(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，和特殊的工作模式，成功地在硬X射線和軟伽馬能段對該伽馬射線暴的瞬時輻射和早期余輝進(jìn)行了國際最高精度的測量。
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。由于這個伽馬射線暴距離地球十分遙遠(yuǎn)，對于它發(fā)出的所有伽馬射線來說，人類探測到的只是滄海一粟。通常我們無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)我們探測到的伽馬射線和伽馬暴的距離，可計算該伽馬暴向各個方向發(fā)出的所有伽馬射線的總能量，即各向同性能量。研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)這個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個太陽質(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)動的噴流，對這個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，本項工作由中科院粒子天體物理重點(diǎn)實驗室牽頭的國際合作團(tuán)隊完成，成員來自中國、美國、意大利、法國、德國等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，是來自天空中某一方向的伽馬射線強(qiáng)度在短時間內(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發(fā)生劇烈的爆炸。這種爆炸會釋放大量的能量，包括伽馬射線、X射線和可見光。伽馬射線暴的一種類型稱為長暴，它們持續(xù)時間長通常長于2秒，有的達(dá)到幾十秒至數(shù)分鐘，甚至是更長的時間。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)時間在2秒以內(nèi)持續(xù)時間。長暴一般認(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，同時會發(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。其中，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)相互作用產(chǎn)生的輻射，稱為余輝。
自從1967年人類發(fā)現(xiàn)首個伽馬暴以來，已探測到近萬例伽馬暴。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設(shè)備在內(nèi)的全球眾多天文設(shè)施均觀測到GRB 221009A這個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較近的距離，并且被人類得以成功捕捉，使其成為名副其實的千年一遇的歷史性事件。
中國科學(xué)院高能物理研究所研究員張雙南解釋說，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到的機(jī)會卻是非常難得，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。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都難碰到的。
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中國利器聯(lián)合協(xié)同成功捕捉
在本次歷史性的觀測中，來自中國的科研利器發(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站（LHAASO）、與“慧眼”衛(wèi)星和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡開展的天地聯(lián)合觀測至關(guān)重要。
“慧眼”衛(wèi)星和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡專門為探測伽馬暴和引力波電磁對應(yīng)體而建造，在GRB 221009A的觀測中，這兩個觀測利器有效聯(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)鏡觀測迄今最亮伽馬暴示意圖 （供圖/中國科學(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GRB 221009A伽馬射線暴上能夠立下汗馬功勞，與這兩個項目的一些獨(dú)特本領(lǐng)有很大的關(guān)系。
“慧眼”衛(wèi)星是我國首臺空間X射線天文望遠(yuǎn)鏡，由中國科學(xué)院院士李惕碚，以及吳枚等人于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，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，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）首次捕捉到來自雙中子星并合產(chǎn)生的引力波信號。該事件發(fā)生時，全球僅有4臺X射線和伽馬射線望遠(yuǎn)鏡成功監(jiān)測到爆發(fā)天區(qū)，“慧眼”便是其中之一。本來“慧眼”的設(shè)計壽命只有4年，但因為狀態(tài)良好，就被延長了運(yùn)行時間。沒有想到延期運(yùn)行2年以后，“慧眼”再次顯神威。
我國的“極目”空間望遠(yuǎn)鏡是中國科學(xué)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，由中科院高能所于2016年提出項目建議，2018年獲得工程立項。2020年“極目”空間望遠(yuǎn)鏡項目才首次發(fā)射升空，除了直接觀測引力波、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設(shè)備迅速開展后續(xù)觀測。
參與本次發(fā)現(xiàn)的是“極目”系列的第三個載荷（編號GECAM-C），其于2022年7月27日搭載中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院牽頭研制的空間新技術(shù)試驗衛(wèi)星（SATech-01）發(fā)射入軌。“極目”系列衛(wèi)星采用了一系列創(chuàng)新的探測技術(shù)，并開創(chuàng)性地使用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)短報文服務(wù)實現(xiàn)星地準(zhǔn)實時通訊，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。
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期待更大的伽馬射線暴研究成果
“慧眼”和“極目”對GRB 221009A伽馬射線暴的聯(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，這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。
意大利費(fèi)拉拉大學(xué)菲利波弗龍?zhí)├淌诒硎荆趯@次事件的眾多觀測里，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，在探測任務(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中，中國天地協(xié)同的科學(xué)裝置觀測獲得很多獨(dú)特的、有價值的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，但是接下來中國的科學(xué)家們需要充分利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，同時將觀測成果上升到理論研究上來，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。
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