距離銀河系24億光年外的一個盤狀星系里，發(fā)生了一場驚天動地的大爆炸。爆炸噴射出的物質(zhì)形成了極其狹窄、接近光速運動的噴流。這使它釋放的能量如同一束激光，沿著一個特定的方向照射出來，而我們的地球恰好在這個方向上。世界時2022年10月9日下午1點17分，這束閃光以伽馬射線暴發(fā)（伽馬暴）的形式造訪了地球，便立刻被眾多衛(wèi)星和地面上的伽馬射線天文臺捕捉到。按照慣例，它被根據(jù)發(fā)現(xiàn)的日期和類型命名：伽馬暴（GRB）2210009A（簡稱伽馬暴09A）。但很快，一個更響亮的名字傳遍了天文圈：史上最亮伽馬暴。它的亮度之強前所未有，以至于大部分觀測到它的空間高能望遠鏡發(fā)生了過曝，無法對其進行可靠的測量。而中國科學(xué)院高能物理研究所（以下簡稱“高能所”）研制的“慧眼”和“極目”空間望遠鏡由于其獨特的設(shè)計，成功地給出了對于這次伽馬暴準確的測量。它的發(fā)現(xiàn)和準確測量將刷新天文學(xué)家對伽馬暴起源和暴發(fā)物理機制的認識，推動人們更好地理解基本物理規(guī)律和宇宙演化的歷史。
遍布宇宙的猛烈爆炸
伽馬暴的發(fā)現(xiàn)是一個頗具傳奇色彩的故事。1963年美蘇英三國簽訂了《部分禁止核試驗條約》，禁止進行包括大氣、水下和太空的核武器試驗。為了監(jiān)視他國，美國20世紀60年代后期陸續(xù)發(fā)射了Vela系列衛(wèi)星，搭載了當時最先進的伽馬射線探測器，用來檢測核爆炸產(chǎn)生的伽馬射線閃光。1967年7月2日，Vela系列2號和3號衛(wèi)星探測到了不同于任何已知核武器爆炸的伽馬射線閃光；很快又發(fā)現(xiàn)了一共16次類似的伽馬射線閃光事件。然而，根據(jù)它們粗略的定位信息，研究團隊排除了這些閃光起源于人造物體或者太陽活動的可能性。
這些發(fā)現(xiàn)在1973年以《對宇宙起源的伽馬射線暴發(fā)的觀測》為題，發(fā)表在學(xué)術(shù)刊物《天體物理期刊》上。從那時起，人類才廣泛知曉了宇宙中存在著這樣劇烈的神秘爆炸事件。1991年起，美國的康普頓伽馬射線空間天文臺陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了2700余例伽馬暴。它們幾乎均勻地分布在天空的各個方向，而不是集中分布在銀河這條窄帶上。因此天文學(xué)家們馬上達成了共識：伽馬暴起源于銀河系外的宇宙深處，或者用天文學(xué)家的術(shù)語“伽馬暴具有宇宙學(xué)起源”。在知曉伽馬暴起源于極遙遠的距離后，根據(jù)它們觀測到的亮度，科學(xué)家們就可以得出結(jié)論：這些伽馬暴釋放的能量驚人的巨大，甚至比整個銀河系一年通過輻射釋放的能量還要大。所以伽馬暴又被稱為“自宇宙大爆炸以來全宇宙最猛烈的爆炸現(xiàn)象”。
自伽馬暴被發(fā)現(xiàn)起，科學(xué)家們就在猜測究竟是什么在宇宙各處引發(fā)這樣猛烈的爆炸。很快，五花八門的理論猜想就充斥著各種學(xué)術(shù)期刊。那時的天文學(xué)界有一句笑話：“伽馬暴的理論模型比伽馬暴還多。”
隨著伽馬暴的觀測數(shù)據(jù)越來越精細和完善，大多數(shù)的猜想沒能經(jīng)得起觀測的考驗，大浪淘沙之下，有兩個猜想逐漸成為大家廣泛接受的伽馬暴理論：塌縮星和中子星合并?，F(xiàn)在的天文學(xué)家們認為這兩種宇宙中的災(zāi)變事件對應(yīng)于迄今為止觀測到的兩種類型的伽馬暴——長伽馬暴和短伽馬暴。
塌縮星模型提出：當一顆大質(zhì)量恒星演化到壽命末期時，其內(nèi)核的核聚變?nèi)剂媳缓谋M。恒星自身巨大的引力失去了與之長期平衡的熱壓力支撐，其內(nèi)核便迅速向內(nèi)坍塌成為一個高速旋轉(zhuǎn)的黑洞。當恒星外層的物質(zhì)前赴后繼地墜向這顆新誕生的黑洞時，在磁場和廣義相對論效應(yīng)的共同作用下，兩束等離子體將沿著黑洞自轉(zhuǎn)軸的方向以接近光速的速度被噴射出來，從而將坍塌恒星的引力勢能釋放。在接近光速的噴流中，噴射物質(zhì)相互碰撞或與周圍的星際介質(zhì)碰撞，將它們的部分動能轉(zhuǎn)換成電磁輻射，從而形成了我們在地球觀測到的長伽馬暴的瞬時輻射和余輝。
而在中子星并合的模型中，一顆中子星會與另一顆致密天體組成雙星系統(tǒng)。當雙星系統(tǒng)的軌道能量因為引力波輻射不斷衰減時，中子星就會與它的致密天體伴星越靠越近，直到撞在一起。這個合并的過程會將中子星撕扯成兩部分，一部分與致密天體伴星一起形成一顆高速旋轉(zhuǎn)的黑洞，另一部分則隨后落向這顆黑洞，然后像塌縮星模型中一樣，兩束高速的等離子體噴流被噴射出來，從而形成了我們觀測到的短伽馬暴。與塌縮星模型不同，中子星并合過程中會有引力波的釋放，因此短伽馬暴也被認為是可以與引力波被聯(lián)合觀測的多信使源。2017年的引力波事件GW170817就是這樣一個事例，它被發(fā)現(xiàn)與短伽馬暴GRB 170817A同時在同一個位置發(fā)生，成為了中子星并合模型最強有力的證據(jù)。
中國完整準確測量最強伽馬暴
在伽馬暴天文學(xué)研究的最初幾十年里，中國探測器的名字是缺席的。直到2001年，搭載伽馬暴探測器的神舟二號飛船成功升空，才改變了這種局面。2017年，“慧眼”衛(wèi)星的發(fā)射讓我們在伽馬射線爆發(fā)天體的觀測研究大展身手?！盎垩邸毙l(wèi)星是高能所牽頭研制的中國第一顆X射線天文衛(wèi)星，上面搭載的高能X射線望遠鏡是搜尋和測量伽馬暴的利器。在發(fā)射四年后，慧眼科學(xué)團隊發(fā)布了第一批322個被慧眼衛(wèi)星觀測到的伽馬暴。2020年和2022年，我國又陸續(xù)發(fā)射了三顆高能所牽頭研制的專門用于伽馬暴探測的衛(wèi)星——“極目”A、B、C星。至此，“慧眼”衛(wèi)星和“極目”三星，連同國際上那些前輩伽馬暴探測衛(wèi)星，如費米、雨燕、INTEGRAL、Konus等一起，組成一張捕捉和測量伽馬暴的天網(wǎng)。
就在這張大網(wǎng)剛剛織好不久，史上最強的伽馬暴09A就造訪了地球。
伽馬暴09A屬于長伽馬暴，因此人們猜測它起源于大質(zhì)量恒星的塌縮。它發(fā)生的星系距離地球24億光年。這聽起來非常遙遠，但與其他伽馬暴相比，這個距離仍然算非常近的。此外，這個伽馬暴的噴流張角非常小，因此與其他伽馬暴相比，更能集中地將能量輻射到地球這個方向。這兩個獨特之處使得伽馬暴09A成為觀測史上看起來最亮的伽馬暴：它的亮度比典型的亮伽馬暴高數(shù)千倍。
這樣意想不到的亮度也為國際主流伽馬暴探測器帶來了不小麻煩，使它們經(jīng)歷了類似于照相機過曝光的問題。這些發(fā)生問題的探測器無法給出完整可靠的探測數(shù)據(jù)，因此也無法準確地回答伽馬暴09A究竟有多亮。
在伽馬暴09A最亮的階段，“慧眼”衛(wèi)星和“極目”C星恰好處在能觀測到它的軌道位置和工作狀態(tài)。特別巧合的是，當時“極目”C星正飛行在地球的高緯度區(qū)域上空。由于那片區(qū)域有很強的帶電粒子干擾，科研人員為“極目”C星設(shè)計了一種特殊的工作模式——低靈敏度的工作模式。這就好像一個人在即將走到非常明亮的戶外時，提前戴上墨鏡一樣。
正是由于這種特殊的工作模式，再加上“極目”專門探測亮源的設(shè)計，使得“極目”C星和“慧眼”聯(lián)合給出了對于伽馬暴09A最完整和準確的測量。
更多宇宙謎團有待破解
根據(jù)對之前觀測到的伽馬暴的統(tǒng)計，天文學(xué)家們得出結(jié)論，像09A這樣亮度的伽馬暴每過幾千年甚至一萬年才會被探測到一次。而人類僅僅具備伽馬暴觀測能力半個世紀后就發(fā)現(xiàn)了這樣一起伽馬暴，這本身就令人感到十分驚訝。一些天文學(xué)家猜測，09A可能有與其他伽馬暴有不同的未知暴發(fā)機制。
但我們的分析顯示，是其極小的噴流張角導(dǎo)致了觀測到的能量差異。在“慧眼”團隊和“極目”團隊發(fā)表的論文中，我們通過測量伽馬暴09A的余輝隨時間的變化曲線推測出了伽馬暴噴流的張角不到1度。正因為這樣，伽馬暴09A的能量被高度集中在一個方向上，使得觀測者看到的亮度比非定向輻射的情況提高了約一萬倍。這也解釋了為什么09A具有如此與眾不同的各向同性能量，在考慮噴流張角修正后，伽馬暴09A真實釋放的能量與一般的長伽馬暴類似。
但是這并沒有完全解答“為什么伽馬暴09A看起來如此特殊”的謎題，反而引出了一系列新的謎題——
是什么物理機制能讓伽馬暴爆炸的能量以如此準直的方式定向地釋放出來？在伽馬暴短暫的觀測史上，地球恰好被臨近宇宙中一個如此準直的定向輻射能量對準的概率有多大？此外，以伽馬暴09A的亮度，即使它位于比現(xiàn)在距離更加遙遠得多的距離上也能夠被人類的探測器探測到。那么問題來了：為什么是09A這樣一個“僅僅”與地球相隔24億光年的臨近伽馬暴被首先探測到，而不是在更遙遠的地方其他類似的伽馬暴被首先探測到？要知道，更遙遠的宇宙有更廣闊的空間，其中正在發(fā)生塌縮的大質(zhì)量恒星的數(shù)量遠遠大于臨近宇宙，理應(yīng)有更多機會探測到類似于09A這樣的伽馬暴。
科學(xué)家們不懼怕謎題，相反我們喜愛謎題。因為每一個謎題都連接著一個潛在的新發(fā)現(xiàn)。伽馬暴的輻射來自接近光速的噴流中的復(fù)雜輻射轉(zhuǎn)移過程，而噴流中的等離子體是在旋轉(zhuǎn)黑洞附近被加速，并通過復(fù)雜的磁場動力學(xué)被準直的。因此每一個伽馬暴的能譜和光變曲線中，都蘊藏了粒子物理、激波物理、相對論、黑洞物理和磁流體力學(xué)的密碼。同時，由于我們現(xiàn)在普遍相信長伽馬暴的前身是正在死亡的大質(zhì)量恒星，而短伽馬暴的前身是中子星/致密星雙星，所以前者可以被當成大質(zhì)量恒星在宇宙中產(chǎn)生歷史和分布的信標，而后者則是中子星/致密星并合歷史的信標?？茖W(xué)家們目前認為，宇宙中原子序數(shù)大于鋅的重元素就是誕生于這兩種宇宙災(zāi)變事件中。因此伽馬暴的發(fā)生率和紅移分布中，也蘊藏著組成我們世界的元素起源之謎的答案。
伽馬暴誕生于宇宙中最極端的環(huán)境，那里有最極端的彎曲時空、最致密的物質(zhì)、最強的電磁場、最高的溫度和最快的運動速度……伽馬射線光子攜帶著宇宙中最深刻規(guī)律的密碼。50多年前，它讓人類將視線轉(zhuǎn)向浩渺永恒的太空；50多年后，中國的“慧眼”和“極目”，精準地刻畫下了這“最亮一筆”，讓伽馬暴這顆在世界天文史上曾經(jīng)耀眼的明星，在多信使天文學(xué)時代重新閃亮。如今，中國高能天文望遠鏡在觀測高能天體物理現(xiàn)象中發(fā)揮著越來越重要的作用，中國天文學(xué)家也將為人類了解宇宙作出更多貢獻。
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引自光明日報2023.4.27日版 原地址：https://app.gmdaily.cn/as/opened/n/1f118bf461794c19afe68950d884adbb
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