北京時(shí)間3月29日凌晨2點(diǎn)，中國科學(xué)院高能物理研究所（簡(jiǎn)稱(chēng)高能所）與全球40余家科研機構聯(lián)合發(fā)布對迄今最亮伽馬射線(xiàn)暴（簡(jiǎn)稱(chēng)伽馬暴）GRB 221009A的研究成果。高能所牽頭研制的慧眼衛星（Insight-HXMT）和極目空間望遠鏡(GECAM-C)成功地在硬X射線(xiàn)和軟伽馬能段對該伽馬暴的瞬時(shí)輻射和早期余輝進(jìn)行了國際最高精度的測量，不僅發(fā)現其具有迄今觀(guān)測到的最大亮度，將伽馬暴的亮度紀錄提升了50倍，而且發(fā)現其各向同性能量也打破紀錄，相當于在1分鐘內釋放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、接近光速運動(dòng)的噴流，對這個(gè)千年一遇的天體爆發(fā)的研究做出了獨特貢獻。本項工作由中國科學(xué)院粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗室牽頭的國際合作團隊完成，成員來(lái)自中國、美國、意大利、法國、德國等30余家研究機構，論文通訊作者為高能所熊少林研究員、張雙南研究員以及美國內華達大學(xué)拉斯維加斯分校張冰教授（論文已在線(xiàn)發(fā)布于arXiv:2303.01203）。
值得指出的是，在對該歷史性伽馬暴的觀(guān)測中，高能所牽頭建造的高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測站（LHAASO）與慧眼衛星和極目空間望遠鏡開(kāi)展了天地聯(lián)合觀(guān)測，其中，高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測站利用其大量的甚高能觀(guān)測數據，做出了多項重要首次發(fā)現，將稍后發(fā)布。
伽馬暴是宇宙大爆炸之后最劇烈的爆炸現象，包括兩種類(lèi)型，一類(lèi)產(chǎn)生于很大質(zhì)量恒星的核心坍縮爆炸，持續時(shí)間通常長(cháng)于2秒，此次發(fā)現的伽馬暴即屬于此類(lèi)；另一類(lèi)產(chǎn)生于兩顆極端致密天體（中子星、黑洞等）的合并爆炸，持續時(shí)間通常短于2秒，并同時(shí)發(fā)出引力波。這兩類(lèi)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)極強引力吞噬周?chē)镔|(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(xiàn)輻射，稱(chēng)為瞬時(shí)輻射。噴流和周?chē)男请H介質(zhì)相互作用也能產(chǎn)生輻射，稱(chēng)為余輝。只有噴流恰好對準地球時(shí)，人類(lèi)才有機會(huì )探測到這些輻射。
自從1967年人類(lèi)發(fā)現首個(gè)伽馬暴以來(lái)，已探測到近萬(wàn)例伽馬暴。2022年10月9日，包括高能所牽頭建造的空間和地面觀(guān)測設備在內的全球眾多天文設施均觀(guān)測到這個(gè)迄今最亮的伽馬暴（編號GRB 221009A），其產(chǎn)生于距離地球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使其成為名副其實(shí)的千年一遇的歷史性事件。
我國專(zhuān)門(mén)為探測伽馬暴和引力波電磁對應體而建造的極目空間望遠鏡和我國首臺空間X射線(xiàn)天文望遠鏡慧眼衛星聯(lián)合，在硬X射線(xiàn)和軟伽馬射線(xiàn)能段精確刻畫(huà)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，極目空間望遠鏡正好處于能夠記錄極高伽馬射線(xiàn)流強的特殊觀(guān)測模式，避免了因極端亮度而容易產(chǎn)生的各種儀器效應（包括數據飽和丟失、信號堆積、死時(shí)間過(guò)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。而慧眼衛星配備的高能X射線(xiàn)望遠鏡憑借其在兆電子伏能區最大的有效面積，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)量數據。
基于極目空間望遠鏡的精確觀(guān)測數據，研究團隊發(fā)現該伽馬暴具有迄今探測到的最高的亮度，并將伽馬暴亮度紀錄提升了50倍！由于伽馬暴距離地球十分遙遠，對于它發(fā)出的所有伽馬射線(xiàn)來(lái)說(shuō)，我們探測到的只是滄海一粟。通常我們無(wú)法知曉伽馬暴向我們視線(xiàn)之外的方向輻射了多少能量，假設伽馬暴向各個(gè)方向輻射了幾乎相同數量的伽馬射線(xiàn)，那么根據我們探測到的伽馬射線(xiàn)和伽馬暴的距離，可計算該伽馬暴向各個(gè)方向發(fā)出的所有伽馬射線(xiàn)的總能量，即各向同性能量。研究團隊發(fā)現這個(gè)伽馬暴的各向同性能量也打破紀錄，超過(guò)了10的55次方爾格，相當于在1分鐘內釋放8個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的全部能量！
慧眼和極目的聯(lián)合觀(guān)測結果可以推測，該伽馬暴的余輝由慢衰減到快衰減的拐折出現得非常早，意味著(zhù)產(chǎn)生伽馬射線(xiàn)的噴流非常狹窄，是人類(lèi)探測到的最狹窄的伽馬暴噴流之一。研究團隊認為，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(guān)測研究對于深入理解這種極端宇宙爆發(fā)現象提供了嶄新視角。
慧眼衛星和極目空間望遠鏡均由高能所提出和牽頭研制?；垩坌l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。其研制得到了國家國防科技工業(yè)局民用航天科研經(jīng)費和中國科學(xué)院“空間科學(xué)”（一期）戰略性先導科技專(zhuān)項的共同支持，高能所負責衛星有效載荷、地面應用系統和科學(xué)研究工作，航天科技集團公司五院為衛星總體單位。自2017年6月15日發(fā)射升空以來(lái)，慧眼衛星已在軌穩定運行超過(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。
“懷柔一號”極目(GECAM)衛星是中國科學(xué)院“空間科學(xué)”（二期）戰略性先導科技專(zhuān)項支持的機遇型空間科學(xué)項目，由高能所于2016年提出項目建議，2018年獲得工程立項。參與本次發(fā)現的是極目系列的第三個(gè)載荷（編號GECAM-C），其于2022年7月27日搭載中國科學(xué)院微小衛星創(chuàng )新研究院牽頭研制的空間新技術(shù)試驗衛星（SATech-01）發(fā)射入軌。極目系列衛星采用了一系列創(chuàng )新的探測技術(shù)，并開(kāi)創(chuàng )性地使用北斗導航系統短報文服務(wù)實(shí)現星地準實(shí)時(shí)通訊，已發(fā)現一大批伽馬暴、磁星爆發(fā)、快速射電暴的高能對應體、太陽(yáng)耀斑以及地球伽馬閃等高能爆發(fā)現象。
本項研究獲得了科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金等項目的資助。
圖1 慧眼衛星和極目空間望遠鏡觀(guān)測迄今最亮伽馬暴示意圖。
圖2 迄今發(fā)現的最亮伽馬射線(xiàn)暴（GRB 221009A）想象圖。
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