千年一遇的迄今最亮伽马射线暴 我国卫星如何精确探测？

央广网北京3月29日消息（总台中国之声记者孙鲁晋）据中央广播电视总台中国之声《新闻纵横》报道，北京时间今天（29日）凌晨2点，中国科学院高能物理研究所与全球40余家科研机构联合发布对迄今最亮伽马射线暴GRB 221009A的研究成果。

慧眼卫星和极目空间望远镜观测迄今最亮伽马暴示意图

伽马射线暴是宇宙中最剧烈的天体爆发现象。2022年10月9日，中国科学院高能物理研究所牵头研制的慧眼卫星和极目空间望远镜成功地对编号为GRB 221009A的伽马射线暴的瞬时辐射和早期余辉进行了国际最高精度的测量。本项工作由中国科学院粒子天体物理重点实验室牵头的国际合作团队完成，成员来自中国、美国、意大利、法国、德国等30余家研究机构，论文通讯作者为高能所熊少林研究员、张双南研究员以及美国内华达大学拉斯维加斯分校张冰教授。

我国是如何探测到这千年一遇的天体爆发瞬间？此次观测研究对于深入理解极端宇宙爆发现象提供了哪些崭新视角？

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伽马射线暴是宇宙中最明亮、最具能量的天体爆发现象。曾经科学家也无法解释它们为什么会发生，部分原因在于，所有已知的伽马射线暴都来自非常非常遥远的地方——通常距离地球数十亿光年，以至于难以确定它来自哪里，于是伽马射线暴一度是宇宙之谜。

经历了漫长的探索，直到1997年，科学家破解了伽马射线暴的距离之谜。中科院高能所粒子天体物理中心副主任、研究员，极目空间望远镜首席科学家熊少林介绍，伽马射线暴的产生机制有两种类型，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。

熊少林说：“大质量恒星像超新星爆炸，中间可能会形成一个黑洞，黑洞的引力非常强，它就会把一部分物质吞噬掉，但它们也不一定会把所有的物质全都吃掉，而是会向两极方向喷出来一些物质，并且它的喷射速度非常快，接近光速，那么喷射出来的东西我们叫它喷流，像喷泉一样，喷流里边可能会发生剧烈的物理过程，产生高能辐射，这就是我们看到的伽马射线的辐射，喷流跟外面的物质相互作用又能产生更多辐射，我们叫做余辉。”

只有喷流恰好对准地球时，人类才有机会探测到这些辐射。此次发现的伽马暴就产生于恒星的死亡爆炸。除此之外，这些年来科学家还发现了另外一种类型的伽马射线暴，它是由两个致密天体绕转并合产生的，这种天体通常被叫做中子星或者黑洞，它们在绕转并合到最后相撞在一起，也会产生爆炸和喷流。

听到这里，一定会有人想问，为什么叫“伽马射线暴”呢？熊少林解释说，因为它在伽马射线波段辐射是最强的，能量也是最多的，“这个辐射就是来自喷流里面产生的，当喷流跟外面星际介质相互作用的时候，它会产生更多的辐射，这个辐射的能段更宽，比如说还可以产生射电辐射，可见光（就是我们照明的光），还能产生X射线、伽马射线，甚至能产生甚高能的辐射（这是高能所的重大设施‘拉索’的一个重大成果），所以总的来讲就是伽马射线暴的辐射是比较多、比较复杂的。我们这次发布的是慧眼卫星和极目空间望远镜是对瞬时辐射和早期余辉的发现成果。”

事实上，伽马射线暴并不罕见，迄今为止人类已经探测到了近万例伽马射线暴。但是极端明亮的伽马射线暴，往往被认为是特殊重要的。因为明亮带来的好处是可以帮助人类更好观测它，从而进行更细致的研究，进一步理解伽马射线暴的形成机制。

比如，去年10月9日晚上，来自中国的这项重要发现——它是发生在距离地球约24亿光年的一起宇宙事件，一颗巨大的濒死恒星在坍缩成黑洞或中子星时释放出强大的能量喷流。张冰说，该伽马暴具有极端的亮度和相对较近的距离使其成为名副其实的千年一遇的历史性事件。

“千年一遇和万年一遇是一个什么样的概念？你想想在上一次发生的时候，如果是一千年的时候，那么我们当时还正在宋朝，如果是一万年，我们当时还是山顶洞人的时候。而这样一个伽马暴正好是发生在了这个时候，人类进入了能够观测伽马射线暴的时代，而且中国有两架空间望远镜可以同时观测它，光这一件事情就已经是非常难得了。”张冰说。

它到底有多亮呢？科学家们称它是有史以来最亮的伽马射线暴，因为它将伽马暴的亮度纪录提升了50倍。张冰表示，此次探测数据的科学意义和贡献还在于，研究团队发现这个伽马暴的绝对的能量和亮度均打破纪录。

张冰说：“暴本身的能量亮度也是迄今最亮的。那么1.5×10的55次方尔格是一个什么样的概念？也就是把一个太阳完全消失掉，把它全部转化为能量，都不可能达到这么大，需要8个太阳才能够达到这么大。如果我们按照光度来让它辐射，太阳一生也就是100亿年释放的能量远远不够，需要1万个这样的太阳，把它全部能量加起来，而且它辐射的时间就在一分钟之内就释放出来。可想而知，这样的一个伽马射线暴前所未有的是非常明亮的。”

迄今发现的最亮伽马射线暴（GRB 221009A）想象图

但同时，伽马暴最亮的部分也是最难测的。甚至连世界上许多专门为观测这样的宇宙事件而设计的空间望远镜都出现了“数据饱和”的现象，也就是因为信号过多而导致望远镜“失明”。

熊少林说，高能所此次研究在国际上的优势和重要贡献是，我国的慧眼卫星和极目空间望远镜联合精确探测到了迄今最亮伽马射线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。

“我们把最亮的伽马射线暴测量得非常精准，没有任何丢失数据，这也是中国高能所对这个伽马射线暴的独特贡献，因为全世界其他的几乎所有望远镜都没有精确测量这个伽马射线暴，要不然就是‘暴’太亮了，它的数据丢失了，要不然就是它的卫星没有办法测量。”熊少林说。

之所以能做到精确探测，是因为在此期间，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。中科院高能所粒子天体物理中心主任/研究员、慧眼卫星首席科学家张双南说，这是慧眼和极目的一次“神配合”。

“当它爆发的主峰过去之后，进入了比较暗的余辉阶段的时候，这会儿慧眼卫星大面积发挥优势了，我们反而把它这块比较暗的这一部分又精确地给测量出来了。我们既发挥了极目空间望远镜（GECAM-C）能够容忍暴，没有被‘亮瞎眼’，又发挥了慧眼卫星在它比较暗了之后，又精确地做了测量，给它结合起来。再加上慧眼卫星后面还有扫描，让极目（GECAM-C）卫星后面也接上了，所以是一个神配合，把伽马射线暴从最开始一直到后面都给精确地测量出来了，这也是我们这篇论文报告的最主要的内容。”张双南说。

除此之外，张冰教授介绍，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。

张冰说：“什么样的一个中心引擎，可以在1分钟内把8个太阳的质量全部转化为能量，几乎是不可能的。所以我们说它是一个有史以来最亮，实际上是两个层次。在慧眼和极目之前，大家是说观测到它是有史以来最亮，那么通过观测我们做到本质上它也是有史以来最亮的。在余辉的数据中找到了拐折，可以推测较窄喷流的存在。那么总结起来这次慧眼和极目的观测研究，对于深入理解伽马暴这种极端宇宙的爆发现象提供了崭新视角。”

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