中国科学家发现千年一遇伽马暴,究竟是怎么一回事?

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正文摘要:

北京时间3月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。高能所牵头研制的慧眼卫星和极目空间望远镜功地在硬X射线和软伽马能段对该伽马暴的瞬时辐射和早期余辉进行了国际最高精度的测量，不仅发现其具有迄今观测到的最大亮度，将伽马暴的亮度记录提升了50倍，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，还揭示其产生了极为狭窄、极端明亮、接近光速运动的喷流，对这个千年一遇的天体爆发的研究做出了独特贡献。
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北京时间3月29日凌晨2点，中国科学院高能物理研究所（简称高能所）与全球40余家科研机构联合发布对迄今最亮伽马射线暴（简称伽马暴）GRB 221009A的研究成果。

发布会现场。南都记者王凡 摄

高能所牵头研制的慧眼卫星和极目空间望远镜功地在硬X射线和软伽马能段对该伽马暴的瞬时辐射和早期余辉进行了国际最高精度的测量，不仅发现其具有迄今观测到的最大亮度，将伽马暴的亮度记录提升了50倍，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，还揭示其产生了极为狭窄、极端明亮、接近光速运动的喷流，对这个千年一遇的天体爆发的研究做出了独特贡献。

慧眼卫星和极目空间望远镜观测的迄今最亮伽马暴示意图。中科院高能所供图

中国卫星精确探测迄今最亮伽马暴，亮度记录提升50倍

2022年10月9日，伽马暴GRB 221009A暴发信号抵达地球，包括高能所牵头建造的空间和地面观测设备在内的全球众多天文设施均观测到这个迄今最亮的伽马暴，其产生于距离地球24亿光年的宇宙深处。该伽马暴具有极端的亮度和相对较近的距离，成为科学家口中“千年一遇”的历史性事件。

据论文通讯作者、中科院高能所研究员、极目空间望远镜首席科学家熊少林介绍，伽马暴是宇宙大爆炸之后最剧烈的爆炸现象，包括两种类型，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。

“千年一遇，甚至可以说万年一遇。上次发生如此剧烈的伽马暴的时候，人类还处于蛮荒时代。”论文通讯作者、美国内华达大学拉斯韦加斯分校教授张冰表示。由于伽马暴距离地球十分遥远，对于它发出的所有伽马射线来说，我们探测到的只是沧海一粟。通常我们无法知晓伽马暴向我们视线之外的方向辐射了多少能量，假设伽马暴向各个方向辐射了几乎相同数量的伽马射线，那么根据我们探测到的伽马射线和伽马暴的距离，可计算该伽马暴向各个方向发出的所有伽马射线的总能量，即各向同性能量。研究团队发现这个伽马暴的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。

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，并将伽马暴亮度记录提升了50倍。

迄今发现的最亮伽马射线暴（GRB 221009A）想象图。中科院高能所供图

慧眼极目“联手”，获得国际上最好的观测数据

“我们获得了国际上最好的数据。”极目望远镜载荷总师李新乔称。

这是如何做到的？据介绍，尽管全球多家天文设施都对此进行了观测，但由于伽马射线暴的主爆亮度过高，其他天文设施被“亮瞎眼”，没能获得完整精准的观测数据。

我国专门为探测伽马暴建造的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。

另一边，我国慧眼卫星虽然主爆数据也出现饱和丢失的问题，但它配备的高能X射线望远镜凭借其在兆电子伏能区最大的有效面积，获得了伽马暴前兆辐射和早期余辉的高质量数据。

也就是说，慧眼和极目“联手”，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。

研究团队根据慧眼和极目的联合观测结果推测，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。

值得指出的是，在对该历史性伽马暴的观测中，高能所牵头建造的高海拔宇宙线观测站（LHAASO）与慧眼卫星和极目空间望远镜开展了天地联合观测，其中，高海拔宇宙线观测站利用其大量的甚高能观测数据，做出了多项重要首次发现，将稍后发布。

采写：南都记者 王凡 发自北京

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在这千年一遇的时刻，中国的眼睛就是尺！

文 ｜ 中国科学报 记者 倪思洁

这是一场国际大联欢。

北京时间3月29日凌晨2点，中国、美国、欧洲、日本等国家和地区的科学家同时发布了一则重磅新闻，报告了对一次“千年一遇”“史上最亮”的伽马射线暴（GRB 221009A）的研究成果。

19亿年前，宇宙深处的一个天体发生了剧烈爆炸。2022年10月9日，爆炸产生的光抵达地球。全人类用上几乎所有的观测手段，尝试收集和解码这束光里蕴含的信息。大多数仪器被这束极亮的光晃得“失明”。

在全世界所有空间高能望远镜中，中国科学院高能物理研究所研制的极目空间望远镜（简称极目-C）是唯一的不仅没有“失明”还精确记录下这束光的仪器。

全球各地同期发布的研究成果多次提到中国。“慧眼”卫星和极目-C探测器的观测结果，几乎成了他们用来比对和校准自身数据的“尺子”。

一分钟，宇宙在闪烁

2022年10月9日，极目空间望远镜首席科学家熊少林在伽马射线暴协同观测网（GCN）上，看到了美国费米空间望远镜卫星发布的警报。

观测伽马暴，是极目空间望远镜的主业。参与本次发现的极目-C源自“怀柔一号”极目卫星。“怀柔一号”极目卫星是中国科学院“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，起初由两颗卫星（极目-A和极目-B）组成，于2020年12月发射运行。

为了增强“怀柔一号”极目卫星的探测能力，极目团队利用“怀柔一号”极目卫星的备份件研制了第3个极目系列载荷，即极目-C。其于2022年7月27日搭载中国科学院微小卫星创新研究院牵头研制的空间新技术试验卫星发射入轨。

“极目-C有没有被地球遮挡？”得知这个爆发不寻常后，熊少林问正在值班的博士生张艳秋。

“没有。”得知没被遮挡，熊少林有些兴奋，这意味着极目-C有可能探测到此次伽马暴。

“但极目-C可能在高噪声区域。”张艳秋的一句话，让熊少林心里咯噔一下。

极目-C大约有一半时间会飞过高噪声区域。受地球磁场结构影响，宇宙中的高能粒子在地球高纬度区域聚集，对天文观测来说是麻烦的噪声。因此，为了既保护探测器，又尽量不错过重要爆发事件，极目运行团队设计了一种特殊工作模式让极目-C在经过这些区域时关闭实时下传观测警报的功能，并且关闭大部分伽马射线探测器，只打开一个探测器。

“在高噪声的干扰下，唯一一个开机的探头能看见爆发事件吗？”熊少林心里打鼓。

3天后，极目-C的数据传来。“看到信号了！”博士生刘佳聪发来的数据图让熊少林心里的石头落了地。

原来，这次伽马暴的主要爆发阶段持续了一分钟。在这最关键的一分钟里，极目-C恰好处在高噪声区域的边缘，不仅噪声很小，而且由于其他探头没开机，数据总量没有超过电子学系统的传输上限，没有发生饱和丢失，采集的数据完整无缺。

在伽马暴被探测到之后的第6天，极目-C的数据引起了国际同行的关注。德国法兰克福歌德大学教授Alexander Kann等人评价，极目-C“进行了极为有趣的探测。由于其轨道位置和环境，它没有数据饱和丢失问题”。

“我们非常幸运。”熊少林说。

在全世界几乎所有卫星都被晃到“晕眩”的一分钟里，极目-C清晰地记录下GRB 221009A伽马暴“高光时刻”里最精细的亮度变化和伽马光子能量分布。

基于极目-C的高精度数据，研究团队发现，此次伽马暴比以往人类观测到的最亮伽马暴亮50倍，可谓“千年一遇的天文事件”。假设这次伽马暴向周围各个方向都辐射了几乎相同数量的伽马射线，那么，这一分钟里，相当于1万个太阳释放了它们一生（大约100亿年）能量的总和。

两颗星，接力式补台

仅记录“高光时刻”，并不足以描述整个伽马暴的过程。至于“高光时刻”之前和之后发生了些什么，仅靠极目-C难以回答。

在记录下“高光时刻”后，极目-C很快又飞到了高噪声区域。这时，我国另一颗天文望远镜卫星“慧眼”卫星接上了。

“慧眼”卫星由中国科学院高能物理研究所研究员李惕碚和吴枚等人于1993年提出，2017年6月15日发射，在轨稳定运行超过5年。熊少林的另一个身份是“慧眼”卫星的伽马暴与引力波电磁对应体核心科学组组长。

2022年10月9日，“慧眼”卫星首席科学家张双南也看到了GCN上的警报。

“‘慧眼’卫星当时正在做银道面扫描，恰好扫到了伽马暴出现的位置。卫星上配备的高能X射线望远镜，凭借在兆电子伏能区最大的有效面积，获得了其前兆辐射和早期余辉的高质量数据。”张双南说。

余辉，是伽马暴的重要辐射成分。大质量恒星坍缩爆炸后，会产生一颗黑洞或中子星等极端致密天体。这类天体通过极强的引力吞噬周围物质，并以接近光速的速度从两极喷射物质，形成一对方向相反的喷流。喷流和周围的星际介质相互作用产生的辐射，就是科学家所说的“余辉”。

主暴之后的600秒到900秒，极目-C进入高噪声区域，“慧眼”卫星详细记录了余辉信息；1300秒到1800秒，“慧眼”卫星进入高噪声区域，极目-C回到低噪声区域，得以对余辉进行接力式测量。

两颗星的相互补台，使我国科学家在硬X射线和软伽马射线能段，获得了国际上最高精度的完整可靠数据，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。

科研团队还发现此次伽马暴的“一个很有意思的特点”。“如果将喷流想象成宇宙深处手电筒照向地球的光，那么，这束光非常狭窄。狭窄，可能是该伽马暴看上去极端明亮的原因之一。”熊少林说。

然而，如此狭窄而明亮的喷流是如何产生的，这个问题让理论家们挠头。

此外，中国科学院高能物理研究所所长、中国科学院院士王贻芳透露，我国地面观测设施高海拔宇宙线观测站（LHAASO）与“慧眼”卫星、极目空间望远镜开展了天地联合观测，也有突破性发现，将于近期发布。

三十年，让中国不可或缺

中国科学院高能物理研究所举行的发布会上，张双南和熊少林并排坐在台上。出席本次发布会的还有“慧眼”卫星最初的提出者、熊少林的导师李惕碚院士。

“我们的年轻人非常优秀。30年来已经形成了一个集体。”李惕碚感慨。

张双南也指导过熊少林。他常这样向外人介绍熊少林：“少林在成为极目天文望远镜首席科学家时，是全世界最年轻的空间科学卫星项目首席科学家。”

这次，张双南、熊少林师徒带着一群年轻人，用近5个月时间，以国际合作的形式分析数据、撰写论文。论文作者共有178位，成员来自中国、美国、意大利、法国、德国等国30余家研究机构。目前，论文已在线发表于预印本平台arXiv。

回想紧张却安心的5个月，熊少林毫不吝惜对团队里年轻人的赞美：“我们组里有‘四大金刚’，是团队的主力。”

“四大金刚”是4位博士生，各有各的绝活儿。张艳秋，外号“秋哥”，是位有男孩性格的女孩，擅长数据分析和写代码。刘佳聪，平日不修边幅，做起研究却一丝不苟，熟悉探测器，擅长攻坚，卫星出现噪声问题时一看一个准。薛王陈，外号“薛哥”，名字里全是姓，低调、内敛、“宅”，数理基础扎实，擅长编程。郑超，为人踏实又勤奋上进，擅长探测器测试、标定等硬件工作。

“我平时只给‘四大金刚’分配谁做什么，但实际上他们4人天天在一块儿泡着，谁做什么分析都要互相讨论，还要互相检查。”熊少林笑着说。

在全球大联欢式的联合发布结束后，等待这群年轻科学家回答的问题还有很多：这个伽马暴为何如此明亮，这么亮是不是与喷流狭窄有关，它为什么这么狭窄，这个伽马暴到底是如何产生的……

“之后，我们将继续进行数据分析，也期待着与国际同行继续合作。”熊少林说，“各种观测设备的数据放在一起，或许能对这个伽马暴有更全面的认识。尽管有点盲人摸象的感觉，但渺小的人类如果不联合起来，何以探索广袤的宇宙呢？”

相关论文信息：

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