一場美麗的“煙花”，蘊(yùn)藏著關(guān)于宇宙過去、現(xiàn)在和未來的奧秘。
伽馬射線暴(伽馬暴)是太空中發(fā)射的短時間、高能量的伽馬射線現(xiàn)象，在幾分鐘甚至幾秒鐘內(nèi)釋放的能量相當(dāng)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(fā)現(xiàn)象。
2022年10月9日，中國“極目”空間望遠(yuǎn)鏡和“慧眼”衛(wèi)星探測到人類有史以來最亮的伽馬暴(編號GRB221009A)。近日，中國科學(xué)院高能物理研究所(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(fā)現(xiàn)首個伽馬暴以來，迄今已探測到近萬例，目前科學(xué)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(jì)錄提升了50倍。”中科院高能所研究員、“極目”空間望遠(yuǎn)鏡首席科學(xué)家熊少林說，當(dāng)天全球眾多天文設(shè)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(shè)施都被“亮瞎眼”，未能獲得有效數(shù)據(jù)。只有進(jìn)行了特殊創(chuàng)新設(shè)計的“極目”空間望遠(yuǎn)鏡避免了因極端亮度產(chǎn)生的數(shù)據(jù)飽和丟失、信號堆積等問題，成功對主暴進(jìn)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(yuǎn)鏡“慧眼”衛(wèi)星雖然錯過了主暴，但憑借其配備的強(qiáng)大載荷，成功獲得了伽馬暴前兆輻射和早期余輝的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。中科院高能所研究員、“慧眼”衛(wèi)星首席科學(xué)家張雙南說，“慧眼”和“極目”的數(shù)據(jù)合到一起，精確測量了伽馬暴完整爆發(fā)過程。
專家介紹，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，該次伽馬暴產(chǎn)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(zhì)量恒星的核心坍縮爆炸。
“爆炸地點(diǎn)在人類已探測到的伽馬暴中并不算遙遠(yuǎn)，爆發(fā)強(qiáng)度很大。根據(jù)測得的各向同性等效能量推算，此次噴流強(qiáng)度相當(dāng)于將8個太陽的全部質(zhì)量都轉(zhuǎn)化成能量，在1分鐘內(nèi)釋放出來。”美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校教授張冰說。
德國圖賓根大學(xué)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(yuǎn)鏡和“慧眼”衛(wèi)星相結(jié)合，獲得了爆發(fā)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(zhàn)伽馬暴起源模型
目前，學(xué)術(shù)界認(rèn)為伽馬暴產(chǎn)生的機(jī)制有兩種：一種是來源于大質(zhì)量恒星塌縮成黑洞或者中子星時發(fā)生了噴流現(xiàn)象，此次“最亮伽馬暴”便因此產(chǎn)生;另一種產(chǎn)生于兩顆致密天體的繞轉(zhuǎn)并合，比如兩顆中子星相互繞轉(zhuǎn)，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(zhì)噴出伽馬射線暴。
研究發(fā)現(xiàn)，“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(chǎn)生。專家認(rèn)為，這對30年多來所形成的伽馬暴起源模型提出了挑戰(zhàn)。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(xiàn)有模型必須經(jīng)受住其檢驗才能成立。
“根據(jù)觀測結(jié)果推測，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，這意味著產(chǎn)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(fèi)拉拉大學(xué)教授菲利波·弗朗特拉認(rèn)為，“慧眼”衛(wèi)星和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡所獲得的數(shù)據(jù)為研究新生致密星的產(chǎn)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(xué)院院士王貽芳說，中國地面觀測設(shè)施——高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)與“慧眼”衛(wèi)星、“極目”空間望遠(yuǎn)鏡開展了天地聯(lián)合觀測，取得了突破性發(fā)現(xiàn)，相關(guān)成果將于近期發(fā)布。
國際合作求解宇宙奧秘
中科院前沿科學(xué)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(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)布，參與“慧眼”和“極目”的相關(guān)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(diǎn)實驗室牽頭的國際合作團(tuán)隊撰寫的論文，投稿到中國創(chuàng)辦的國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《國家科學(xué)評論》，共同署名的作者多達(dá)178位，來自中國、美國、意大利、德國、法國等30余家研究機(jī)構(gòu)，這充分說明國際合作對于科學(xué)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(fā)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(lǐng)先研究機(jī)構(gòu)。未來，該所將繼續(xù)支持“慧眼”“極目”等項目科研工作，特別是在天地一體化聯(lián)合觀測方面給予更多關(guān)注，繼續(xù)加強(qiáng)在科研國內(nèi)外合作，產(chǎn)出更多重大原創(chuàng)性科學(xué)成果。
“從2001年發(fā)射的神舟二號起，高能所就牽頭或參與伽馬暴相關(guān)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(fā)射愛因斯坦探針衛(wèi)星、空間變源監(jiān)視器、中國空間站高能宇宙輻射探測設(shè)施、增強(qiáng)型時變與偏振天文臺等空間設(shè)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(xué)研究的前沿。”安德烈·桑坦杰羅說，很高興與中國團(tuán)隊合作，從愛因斯坦探針衛(wèi)星、中法天文衛(wèi)星到中國空間站高能宇宙輻射探測設(shè)施的一系列項目，都將使中國在高能天體物理領(lǐng)域中發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)作用。
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“慧眼”衛(wèi)星和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡
“慧眼”衛(wèi)星和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡由中科院高能所提出和牽頭研制。“慧眼”衛(wèi)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(fèi)和中國科學(xué)院“空間科學(xué)”(一期)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的共同支持，高能所負(fù)責(zé)衛(wèi)星有效載荷、地面應(yīng)用系統(tǒng)和科學(xué)研究工作，航天科技集團(tuán)公司五院為衛(wèi)星總體單位。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，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(wèi)星是中國科學(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(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。
