一場美麗的“煙花”,蘊藏著關于宇宙過去、現在和未來的奧秘。

伽馬射線暴(伽馬暴)是太空中發射的短時間、高能量的伽馬射線現象,在幾分鐘甚至幾秒鐘內釋放的能量相當于太陽在萬億年釋放的能量之和,是目前已知的宇宙中最猛烈的爆發現象。

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2022年10月9日,中國“極目”空間望遠鏡和“慧眼”衛星探測到人類有史以來最亮的伽馬暴(編號GRB　221009A)。近日,中國科學院高能物理研究所(中科院高能所)與全球40余家科研機構聯合發布了對這一伽馬暴的研究成果。

伽馬暴亮度“千年一遇”

伽馬暴在宇宙中并不罕見。自1967年人類發現首個伽馬暴以來,迄今已探測到近萬例,目前科學家平均每天能觀測到3次左右。但2022年“捕捉”到的“最亮伽馬暴”,堪稱“千年一遇”。

“這是人類迄今為止觀測到最大亮度的伽馬暴,將亮度紀錄提升了50倍。”中科院高能所研究員、“極目”空間望遠鏡首席科學家熊少林說,當天全球眾多天文設施都接收到了信號,但由于伽馬暴主暴的亮度過高,很多天文設施都被“亮瞎眼”,未能獲得有效數據。只有進行了特殊創新設計的“極目”空間望遠鏡避免了因極端亮度產生的數據飽和丟失、信號堆積等問題,成功對主暴進行了完整精確的探測。

與此同時,中國首臺空間X射線天文望遠鏡“慧眼”衛星雖然錯過了主暴,但憑借其配備的強大載荷,成功獲得了伽馬暴前兆輻射和早期余輝的高質量數據。中科院高能所研究員、“慧眼”衛星首席科學家張雙南說,“慧眼”和“極目”的數據合到一起,精確測量了伽馬暴完整爆發過程。

專家介紹,經過研究發現,該次伽馬暴產生于距離地球24億光年的宇宙深處,引起伽馬暴的是一顆極大質量恒星的核心坍縮爆炸。

“爆炸地點在人類已探測到的伽馬暴中并不算遙遠,爆發強度很大。根據測得的各向同性等效能量推算,此次噴流強度相當于將8個太陽的全部質量都轉化成能量,在1分鐘內釋放出來。”美國內華達大學拉斯維加斯分校教授張冰說。

德國圖賓根大學教授安德烈·桑坦杰羅說,這次伽馬暴讓整個天文界都非常興奮,中國的“極目”空間望遠鏡和“慧眼”衛星相結合,獲得了爆發全過程的光變曲線,不僅測到了伽馬暴的總能量,還清楚地測量到其非常窄的光束。

挑戰伽馬暴起源模型

目前,學術界認為伽馬暴產生的機制有兩種:一種是來源于大質量恒星塌縮成黑洞或者中子星時發生了噴流現象,此次“最亮伽馬暴”便因此產生;另一種產生于兩顆致密天體的繞轉并合,比如兩顆中子星相互繞轉,距離越來越近后最終合并在一起形成黑洞,吸積周圍的物質噴出伽馬射線暴。

研究發現,“最亮伽馬暴”擁有極窄、極明亮的噴流,并且以非常接近光速的速度產生。專家認為,這對30年多來所形成的伽馬暴起源模型提出了挑戰。張雙南說,目前還沒有一個模型可以完美解釋這一極端案例,而現有模型必須經受住其檢驗才能成立。

“根據觀測結果推測,該伽馬暴的余輝由慢衰減到快衰減的拐折出現得非常早,這意味著產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。”熊少林說,極為狹窄的噴流可能是伽馬暴極端明亮的原因之一。

意大利費拉拉大學教授菲利波·弗朗特拉認為,“慧眼”衛星和“極目”空間望遠鏡所獲得的數據為研究新生致密星的產生和活動提供了嶄新線索。

此外,中科院高能所所長、中國科學院院士王貽芳說,中國地面觀測設施——高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)與“慧眼”衛星、“極目”空間望遠鏡開展了天地聯合觀測,取得了突破性發現,相關成果將于近期發布。

國際合作求解宇宙奧秘

中科院前沿科學與教育局副局長盧方軍說,此次研究成果由全球40余家科研機構聯合發布,參與“慧眼”和“極目”的相關研究人員來自中外30多個科研院所。由中科院粒子天體物理重點實驗室牽頭的國際合作團隊撰寫的論文,投稿到中國創辦的國際頂尖學術期刊《國家科學評論》,共同署名的作者多達178位,來自中國、美國、意大利、德國、法國等30余家研究機構,這充分說明國際合作對于科學研究的重要性。

王貽芳說,中科院高能所天地一體化的多信使觀測能力高速發展,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先研究機構。未來,該所將繼續支持“慧眼”“極目”等項目科研工作,特別是在天地一體化聯合觀測方面給予更多關注,繼續加強在科研國內外合作,產出更多重大原創性科學成果。

“從2001年發射的神舟二號起,高能所就牽頭或參與伽馬暴相關的空間項目,至今已有20多年。”熊少林介紹,未來5到10年,中國還將發射愛因斯坦探針衛星、空間變源監視器、中國空間站高能宇宙輻射探測設施、增強型時變與偏振天文臺等空間設備,通過更多手段、從更多角度探索宇宙深處的奧秘。

“目前中國已處于世界高能天體物理學研究的前沿。”安德烈·桑坦杰羅說,很高興與中國團隊合作,從愛因斯坦探針衛星、中法天文衛星到中國空間站高能宇宙輻射探測設施的一系列項目,都將使中國在高能天體物理領域中發揮領導作用。

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“慧眼”衛星和“極目”空間望遠鏡

“慧眼”衛星和“極目”空間望遠鏡由中科院高能所提出和牽頭研制。“慧眼”衛星由李惕碚、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局民用航天科研經費和中國科學院“空間科學”(一期)戰略性先導科技專項的共同支持,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日發射升空以來,“慧眼”衛星已在軌穩定運行超過5年,在黑洞、中子星、快速射電暴等領域取得一系列重要成果。

“懷柔一號”極目(GECAM)衛星是中國科學院“空間科學”(二期)戰略性先導科技專項支持的機遇型空間科學項目,由高能所于2016年提出項目建議,2018年獲得工程立項。參與“最亮伽馬暴”發現的是“極目”系列的第三個載荷(編號GECAM-C),其于2022年7月27日搭載中國科學院微小衛星創新研究院牽頭研制的空間新技術試驗衛星(SATech-01)發射入軌。“極目”系列衛星采用了一系列創新的探測技術,并開創性地使用北斗導航系統短報文服務實現星地準實時通訊,已發現一大批伽馬暴、磁星爆發、快速射電暴的高能對應體、太陽耀斑以及地球伽馬閃等高能爆發現象。

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