北京時間3月29日凌晨2點(diǎn)，中國科學(xué)院高能物理研究所（簡稱高能所）與全球40余家科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)布對迄今最亮伽馬射線暴（簡稱伽馬暴）GRB 221009A的研究成果。高能所牽頭研制的慧眼衛(wèi)星（Insight-HXMT）和極目空間望遠(yuǎn)鏡(GECAM-C)成功地在硬X射線和軟伽馬能段對該伽馬暴的瞬時輻射和早期余輝進(jìn)行了國際最高精度的測量，不僅發(fā)現(xiàn)其具有迄今觀測到的最大亮度，將伽馬暴的亮度紀(jì)錄提升了50倍，而且發(fā)現(xiàn)其各向同性能量也打破紀(jì)錄，相當(dāng)于在1分鐘內(nèi)釋放8個太陽質(zhì)量的全部能量，還揭示其產(chǎn)生了極為狹窄、極端明亮、接近光速運(yùn)動的噴流，對這個千年一遇的天體爆發(fā)的研究做出了獨(dú)特貢獻(xiàn)。本項(xiàng)工作由中國科學(xué)院粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室牽頭的國際合作團(tuán)隊(duì)完成，成員來自中國、美國、意大利、法國、德國等30余家研究機(jī)構(gòu)，論文通訊作者為高能所熊少林研究員、張雙南研究員以及美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校張冰教授（論文已在線發(fā)布于arXiv:2303.01203）。
值得指出的是，在對該歷史性伽馬暴的觀測中，高能所牽頭建造的高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）與慧眼衛(wèi)星和極目空間望遠(yuǎn)鏡開展了天地聯(lián)合觀測，其中，高海拔宇宙線觀測站利用其大量的甚高能觀測數(shù)據(jù)，做出了多項(xiàng)重要首次發(fā)現(xiàn)，將稍后發(fā)布。
伽馬暴是宇宙大爆炸之后最劇烈的爆炸現(xiàn)象，包括兩種類型，一類產(chǎn)生于很大質(zhì)量恒星的核心坍縮爆炸，持續(xù)時間通常長于2秒，此次發(fā)現(xiàn)的伽馬暴即屬于此類；另一類產(chǎn)生于兩顆極端致密天體（中子星、黑洞等）的合并爆炸，持續(xù)時間通常短于2秒，并同時發(fā)出引力波。這兩類天體爆炸均能產(chǎn)生一顆黑洞或中子星等極端致密天體，其通過極強(qiáng)引力吞噬周圍物質(zhì)并以接近光速從兩極噴射物質(zhì)，形成一對相反方向的噴流。噴流內(nèi)部的激波或磁重聯(lián)等過程加速帶電粒子產(chǎn)生伽馬射線輻射，稱為瞬時輻射。噴流和周圍的星際介質(zhì)相互作用也能產(chǎn)生輻射，稱為余輝。只有噴流恰好對準(zhǔn)地球時，人類才有機(jī)會探測到這些輻射。
自從1967年人類發(fā)現(xiàn)首個伽馬暴以來，已探測到近萬例伽馬暴。2022年10月9日，包括高能所牽頭建造的空間和地面觀測設(shè)備在內(nèi)的全球眾多天文設(shè)施均觀測到這個迄今最亮的伽馬暴（編號GRB 221009A），其產(chǎn)生于距離地球24億光年的宇宙深處。該伽馬暴具有極端的亮度和相對較近的距離使其成為名副其實(shí)的千年一遇的歷史性事件。
我國專門為探測伽馬暴和引力波電磁對應(yīng)體而建造的極目空間望遠(yuǎn)鏡和我國首臺空間X射線天文望遠(yuǎn)鏡慧眼衛(wèi)星聯(lián)合，在硬X射線和軟伽馬射線能段精確刻畫了該伽馬暴從前兆輻射到主暴、耀發(fā)以及早期余輝的各個關(guān)鍵階段的輻射性質(zhì)。其中，極目空間望遠(yuǎn)鏡正好處于能夠記錄極高伽馬射線流強(qiáng)的特殊觀測模式，避免了因極端亮度而容易產(chǎn)生的各種儀器效應(yīng)（包括數(shù)據(jù)飽和丟失、信號堆積、死時間過大等），成功對該伽馬暴極端明亮的主暴進(jìn)行了完整而精確的探測。而慧眼衛(wèi)星配備的高能X射線望遠(yuǎn)鏡憑借其在兆電子伏能區(qū)最大的有效面積，成功探測到該伽馬暴，并獲得了其前兆輻射和早期余輝的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。
基于極目空間望遠(yuǎn)鏡的精確觀測數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)該伽馬暴具有迄今探測到的最高的亮度，并將伽馬暴亮度紀(jì)錄提升了50倍！由于伽馬暴距離地球十分遙遠(yuǎn)，對于它發(fā)出的所有伽馬射線來說，我們探測到的只是滄海一粟。通常我們無法知曉伽馬暴向我們視線之外的方向輻射了多少能量，假設(shè)伽馬暴向各個方向輻射了幾乎相同數(shù)量的伽馬射線，那么根據(jù)我們探測到的伽馬射線和伽馬暴的距離，可計算該伽馬暴向各個方向發(fā)出的所有伽馬射線的總能量，即各向同性能量。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這個伽馬暴的各向同性能量也打破紀(jì)錄，超過了10的55次方爾格，相當(dāng)于在1分鐘內(nèi)釋放8個太陽質(zhì)量的全部能量！
慧眼和極目的聯(lián)合觀測結(jié)果可以推測，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，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。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，極為狹窄的噴流可能是該伽馬暴看上去極端明亮的原因之一。因此，本次慧眼和極目的觀測研究對于深入理解這種極端宇宙爆發(fā)現(xiàn)象提供了嶄新視角。
慧眼衛(wèi)星和極目空間望遠(yuǎn)鏡均由高能所提出和牽頭研制?；垩坌l(wèi)星由李惕碚、吳枚等人于1993年提出項(xiàng)目建議，2011年獲得工程立項(xiàng)。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(xiàng)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，已在黑洞、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(xiàng)支持的機(jī)遇型空間科學(xué)項(xiàng)目，由高能所于2016年提出項(xiàng)目建議，2018年獲得工程立項(xiàng)。參與本次發(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(yàn)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(shí)現(xiàn)星地準(zhǔn)實(shí)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。
本項(xiàng)研究獲得了科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
圖1 慧眼衛(wèi)星和極目空間望遠(yuǎn)鏡觀測迄今最亮伽馬暴示意圖。
圖2 迄今發(fā)現(xiàn)的最亮伽馬射線暴（GRB 221009A）想象圖。
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