中国骄傲｜“慧眼”“极目”联手探测迄今最亮伽马暴 揭开宇宙大爆炸之谜

【导语】伽马射线暴简称伽马暴，是目前已知、宇宙大爆炸之后最剧烈的爆炸现象。自从1967年首个伽马暴被发现以来，人类至今已探测到近万例伽马暴。但是它们是如何产生的？为何能释放如此多的能量，至今仍是个谜。

2022年10月9日，中国“慧眼”卫星与“极目”空间望远镜探测到人类有史以来最亮的伽马暴(编号GRB 221009A)。近日，中国科学院高能物理研究所(中科院高能所)在北京与全球40余家科研机构联合发布了对这一伽马暴的研究成果。

千年一遇的迄今最大亮度伽马暴

伽马暴长期以来一直是天体物理学家持续跟踪观测和聚焦研究的重要领域。中科院高能所与全球40余家科研机构3月29日联合发布，基于中国“慧眼”卫星和“极目”空间望远镜对产生于距离地球24亿光年宇宙深处、编号GRB 221009A伽马暴的高精度测量，发现其具有迄今观测到的最大亮度，一举将伽马暴的亮度纪录提升了50倍。

通过“慧眼”“极目”在硬X射线和软伽马能段对GRB 221009A伽马暴的瞬时辐射和早期余辉成功进行迄今国际最高精度的测量，不仅实现精确探测迄今最亮伽马暴，而且发现其各向同性能量也打破纪录，相当于在1分钟内释放8个太阳质量的全部能量，还揭示该伽马暴产生了极为狭窄、极端明亮、接近光速运动的喷流。

迄今发现的最亮伽马射线暴（GRB 221009A）想象图。（图源：中国科学院高能物理研究所）

值得关注的是，这次伽马暴产生于距离地球24亿光年的宇宙深处，具有极高亮度和相对较近的距离，是千年一遇的重要天文事件。中科院高能所研究员、“慧眼”卫星首席科学家张双南解释说，虽然宇宙中肯定还存在亮度更高的伽马暴，但由于其喷流正好指向地球且被探测到的机会非常难得，因此，本次研究精确探测到迄今最亮伽马暴“是千年甚至万年一遇的事件”。

中科院高能所研究员、“极目”空间望远镜首席科学家熊少林说，当天全球众多天文设施都接收到了信号，但由于伽马暴主暴的亮度过高，很多天文设施都被“亮瞎眼”，未能获得有效数据。只有进行了特殊创新设计的“极目”空间望远镜避免了因极端亮度产生的数据饱和丢失、信号堆积等问题，成功对主暴进行了完整精确的探测。

与此同时，中国首台空间X射线天文望远镜“慧眼”卫星虽然错过了主暴，但凭借其配备的强大载荷，成功获得了伽马暴前兆辐射和早期余辉的高质量数据。张双南研究员说，“慧眼”和“极目”的数据合到一起，精确测量了伽马暴完整爆发过程。

“慧眼”与“极目”如何实现精确探测？

事实上 ，伽马暴根据来源可分为两种类型，一类产生于很大质量恒星的核心坍缩爆炸，持续时间通常长于2秒，此次发现的迄今最亮伽马暴即属于此类；另一类产生于两颗极端致密天体(中子星、黑洞等)的合并爆炸，持续时间通常短于2秒，并同时发出引力波。

这两类天体爆炸均能产生一颗黑洞或中子星等极端致密天体，其通过极强引力吞噬周围物质并以接近光速从两极喷射物质，形成一对相反方向的喷流。喷流内部的激波或磁重联等过程加速带电粒子产生伽马射线辐射，称为瞬时辐射。喷流和周围的星际介质相互作用也能产生辐射，称为余辉。只有喷流恰好对准地球时，人类才有机会探测到这些辐射。

伽马射线暴的成分。（图源：央视新闻）

在对GRB 221009A伽马暴的观测中，“慧眼”卫星和“极目”空间望远镜联合，在硬X射线和软伽马射线能段，精确刻画了该伽马暴从前兆辐射到主暴、耀发以及早期余辉的各个关键阶段的辐射性质。

其中，“极目”空间望远镜正好处于能够记录极高伽马射线流强的特殊观测模式，避免了因极端亮度而容易产生的各种仪器效应(包括数据饱和丢失、信号堆积、死时间过大等)，成功对该伽马暴极端明亮的主暴进行了完整而精确的探测。而“慧眼”卫星配备的高能X射线望远镜凭借其在兆电子伏能区最大的有效面积，成功探测到该伽马暴，并获得了其前兆辐射和早期余辉的高质量数据。

基于“极目”空间望远镜的精确观测数据，研究团队发现该伽马暴具有迄今探测到的最高的亮度，并将伽马暴亮度纪录提升了50倍，并发现这个伽马暴的各向同性能量也打破纪录，超过了10的55次方尔格，相当于在1分钟内释放8个太阳质量的全部能量！

从“慧眼”和“极目”的联合观测结果可以推测，该伽马暴的余辉由慢衰减到快衰减的拐折出现得非常早，意味着产生伽马射线的喷流非常狭窄，是人类探测到的最狭窄的伽马暴喷流之一。研究团队认为，极为狭窄的喷流可能是该伽马暴看上去极端明亮的原因之一。因此，本次“慧眼”和“极目”的观测研究对于深入理解这种极端宇宙爆发现象提供了崭新视角。

天地多手段联合观测获多项首次发现

迄今最亮伽马射线暴（GRB 221009A）爆发时刻在高海拔宇宙线观测站“拉索”视场中的位置。（图源：中国科学院高能物理研究所）

据中科院高能所介绍，“慧眼”卫星和“极目”空间望远镜科学工程均由该所提出和牵头研制。其中，“慧眼”卫星由李惕碚、吴枚等人于1993年提出项目建议，2011年获得工程立项。自2017年6月15日发射升空以来，“慧眼”卫星已在轨稳定运行超过5年，在黑洞、中子星、快速射电暴等领域取得一系列重要成果。

“极目”(也称“怀柔一号”)卫星则是中科院空间科学(二期)战略性先导科技专项支持的机遇型空间科学项目。参与本次迄今最亮伽马暴发现和研究的是“极目”系列第三颗空间载荷——“极目”空间望远镜，其于2022年7月搭载中国空间新技术试验卫星(SATech-01)发射入轨。“极目”采用一系列创新的探测技术，并开创性使用北斗导航系统短报文服务实现星地准实时通讯，已发现一大批伽马暴、磁星爆发、快速射电暴的高能对应体、太阳耀斑以及地球伽马闪等高能爆发现象。

中科院高能所透露，在对GRB 221009A伽马暴千年一遇的历史性观测中，该所地面大科学装置——高海拔宇宙线观测站“拉索”与两大空间设施“慧眼”“极目”还开展了天地联合观测，其中，“拉索”利用其大量的甚高能观测数据，也收获多项重要首次发现，将于成果论文发表后对外公布。

中国已处于世界高能天体物理研究前沿

“慧眼”卫星和“极目”空间望远镜观测迄今最亮伽马射线暴示意图 。（图源：中国科学院高能物理研究所）

中科院前沿科学与教育局副局长卢方军研究员表示，此次研究成果由全球40余家科研机构联合发布，参与“慧眼”和“极目”的相关研究人员来自中外30多个科研院所。由中科院粒子天体物理重点实验室牵头的国际合作团队撰写的论文，投稿到中国创办的国际顶尖学术期刊《国家科学评论》，共同署名的作者多达178位，来自中国、美国、意大利、德国、法国等30余家研究机构，这充分说明国际合作对于科学研究的重要性。

中科院高能所所长王贻芳院士介绍，该所一直是中国粒子天体物理研究的引领者，经过几十年发展，实验平台也从高山逐渐发展到气球、卫星和未来的空间站，研制出“慧眼”“极目”等重大设施，在X-射线天文领域逐渐走到世界前列。中科高能所天地一体化的多信使观测能力高速发展，已取得一系列重大观测成果，有望成为国际粒子天体物理研究的领先研究机构。

意大利费拉拉大学菲利波·弗龙泰拉教授认为，在对这次联合发布天体事件的众多观测里，破纪录的GRB 221009A伽马暴的结果非常具有挑战性和独特性，其极高质量的数据源于中国“慧眼”和“极目”仪器的巧妙设计，而只有在一个非常有经验的团队中，这些优秀的设计才能圆满完成。

“如今，中国已处于世界高能天体物理学研究的前沿，这一点无可置疑”，德国图宾根大学安德烈亚·圣安杰洛教授说，在未来几年里，中国的这种领导力将变得更加强大。爱因斯坦探针卫星(EP)将于今年年底发射、中法天文卫星(SVOM)将于2024年发射，中国空间站高能宇宙辐射探测设施(HERD)计划于2027年左右发射……所有这些空间项目，都将使中国在高能天体物理领域中发挥领导作用。

(资料来源：新华社、央视新闻、中新网、人民日报海外版)