伽馬射線暴是宇宙中最劇烈的天體爆發(fā)現(xiàn)象。2022年10月9日，中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭研制的慧眼衛(wèi)星和極目空間望遠(yuǎn)鏡成功地對(duì)編號(hào)為GRB 221009A的伽馬射線暴的瞬時(shí)輻射和早期余輝進(jìn)行了國際最高精度的測量。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。
我國是如何探測到這千年一遇的天體爆發(fā)瞬間？此次觀測研究對(duì)于深入理解極端宇宙爆發(fā)現(xiàn)象提供了哪些嶄新視角？
伽馬射線暴是宇宙中最明亮、最具能量的天體爆發(fā)現(xiàn)象。曾經(jīng)科學(xué)家也無法解釋它們?yōu)槭裁磿?huì)發(fā)生，部分原因在于，所有已知的伽馬射線暴都來自非常非常遙遠(yuǎn)的地方——通常距離地球數(shù)十億光年，以至于難以確定它來自哪里，于是伽馬射線暴一度是宇宙之謎。
經(jīng)歷了漫長的探索，直到1997年，科學(xué)家破解了伽馬射線暴的距離之謎。中科院高能所粒子天體物理中心副主任、研究員，極目空間望遠(yuǎn)鏡首席科學(xué)家熊少林介紹，伽馬射線暴的產(chǎn)生機(jī)制有兩種類型，一類產(chǎn)生于很大質(zhì)量恒星的核心坍縮爆炸，持續(xù)時(shí)間通常長于2秒。
熊少林說：“大質(zhì)量恒星像超新星爆炸，中間可能會(huì)形成一個(gè)黑洞，黑洞的引力非常強(qiáng)，它就會(huì)把一部分物質(zhì)吞噬掉，但它們也不一定會(huì)把所有的物質(zhì)全都吃掉，而是會(huì)向兩極方向噴出來一些物質(zhì)，并且它的噴射速度非?？?，接近光速，那么噴射出來的東西我們叫它噴流，像噴泉一樣，噴流里邊可能會(huì)發(fā)生劇烈的物理過程，產(chǎn)生高能輻射，這就是我們看到的伽馬射線的輻射，噴流跟外面的物質(zhì)相互作用又能產(chǎn)生更多輻射，我們叫做余輝。”
只有噴流恰好對(duì)準(zhǔn)地球時(shí)，人類才有機(jī)會(huì)探測到這些輻射。此次發(fā)現(xiàn)的伽馬暴就產(chǎn)生于恒星的死亡爆炸。除此之外，這些年來科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了另外一種類型的伽馬射線暴，它是由兩個(gè)致密天體繞轉(zhuǎn)并合產(chǎn)生的，這種天體通常被叫做中子星或者黑洞，它們?cè)诶@轉(zhuǎn)并合到最后相撞在一起，也會(huì)產(chǎn)生爆炸和噴流。
聽到這里，一定會(huì)有人想問，為什么叫“伽馬射線暴”呢？熊少林解釋說，因?yàn)樗谫ゑR射線波段輻射是最強(qiáng)的，能量也是最多的，“這個(gè)輻射就是來自噴流里面產(chǎn)生的，當(dāng)噴流跟外面星際介質(zhì)相互作用的時(shí)候，它會(huì)產(chǎn)生更多的輻射，這個(gè)輻射的能段更寬，比如說還可以產(chǎn)生射電輻射，可見光（就是我們照明的光），還能產(chǎn)生X射線、伽馬射線，甚至能產(chǎn)生甚高能的輻射（這是高能所的重大設(shè)施‘拉索’的一個(gè)重大成果），所以總的來講就是伽馬射線暴的輻射是比較多、比較復(fù)雜的。我們這次發(fā)布的是慧眼衛(wèi)星和極目空間望遠(yuǎn)鏡是對(duì)瞬時(shí)輻射和早期余輝的發(fā)現(xiàn)成果。”
事實(shí)上，伽馬射線暴并不罕見，迄今為止人類已經(jīng)探測到了近萬例伽馬射線暴。但是極端明亮的伽馬射線暴，往往被認(rèn)為是特殊重要的。因?yàn)槊髁翈淼暮锰幨强梢詭椭祟惛糜^測它，從而進(jìn)行更細(xì)致的研究，進(jìn)一步理解伽馬射線暴的形成機(jī)制。
比如，去年10月9日晚上，來自中國的這項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)——它是發(fā)生在距離地球約24億光年的一起宇宙事件，一顆巨大的瀕死恒星在坍縮成黑洞或中子星時(shí)釋放出強(qiáng)大的能量噴流。張冰說，該伽馬暴具有極端的亮度和相對(duì)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。
“千年一遇和萬年一遇是一個(gè)什么樣的概念？你想想在上一次發(fā)生的時(shí)候，如果是一千年的時(shí)候，那么我們當(dāng)時(shí)還正在宋朝，如果是一萬年，我們當(dāng)時(shí)還是山頂洞人的時(shí)候。而這樣一個(gè)伽馬暴正好是發(fā)生在了這個(gè)時(shí)候，人類進(jìn)入了能夠觀測伽馬射線暴的時(shí)代，而且中國有兩架空間望遠(yuǎn)鏡可以同時(shí)觀測它，光這一件事情就已經(jīng)是非常難得了。”張冰說。
它到底有多亮呢？科學(xué)家們稱它是有史以來最亮的伽馬射線暴，因?yàn)樗鼘①ゑR暴的亮度紀(jì)錄提升了50倍。張冰表示，此次探測數(shù)據(jù)的科學(xué)意義和貢獻(xiàn)還在于，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)伽馬暴的絕對(duì)的能量和亮度均打破紀(jì)錄。
張冰說：“暴本身的能量亮度也是迄今最亮的。那么1.5×10的55次方爾格是一個(gè)什么樣的概念？也就是把一個(gè)太陽完全消失掉，把它全部轉(zhuǎn)化為能量，都不可能達(dá)到這么大，需要8個(gè)太陽才能夠達(dá)到這么大。如果我們按照光度來讓它輻射，太陽一生也就是100億年釋放的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要1萬個(gè)這樣的太陽，把它全部能量加起來，而且它輻射的時(shí)間就在一分鐘之內(nèi)就釋放出來。可想而知，這樣的一個(gè)伽馬射線暴前所未有的是非常明亮的。”
但同時(shí)，伽馬暴最亮的部分也是最難測的。甚至連世界上許多專門為觀測這樣的宇宙事件而設(shè)計(jì)的空間望遠(yuǎn)鏡都出現(xiàn)了“數(shù)據(jù)飽和”的現(xiàn)象，也就是因?yàn)樾盘?hào)過多而導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡“失明”。
熊少林說，高能所此次研究在國際上的優(yōu)勢和重要貢獻(xiàn)是，我國的慧眼衛(wèi)星和極目空間望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合精確探測到了迄今最亮伽馬射線暴從前兆輻射到主暴、耀發(fā)以及早期余輝的各個(gè)關(guān)鍵階段的輻射性質(zhì)。
“我們把最亮的伽馬射線暴測量得非常精準(zhǔn)，沒有任何丟失數(shù)據(jù)，這也是中國高能所對(duì)這個(gè)伽馬射線暴的獨(dú)特貢獻(xiàn)，因?yàn)槿澜缙渌膸缀跛型h(yuǎn)鏡都沒有精確測量這個(gè)伽馬射線暴，要不然就是‘暴’太亮了，它的數(shù)據(jù)丟失了，要不然就是它的衛(wèi)星沒有辦法測量。”熊少林說。
之所以能做到精確探測，是因?yàn)樵诖似陂g，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(hào)堆積、死時(shí)間過大等），成功對(duì)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)。中科院高能所粒子天體物理中心主任/研究員、慧眼衛(wèi)星首席科學(xué)家張雙南說，這是慧眼和極目的一次“神配合”。
“當(dāng)它爆發(fā)的主峰過去之后，進(jìn)入了比較暗的余輝階段的時(shí)候，這會(huì)兒慧眼衛(wèi)星大面積發(fā)揮優(yōu)勢了，我們反而把它這塊比較暗的這一部分又精確地給測量出來了。我們既發(fā)揮了極目空間望遠(yuǎn)鏡（GECAM-C）能夠容忍暴，沒有被‘亮瞎眼’，又發(fā)揮了慧眼衛(wèi)星在它比較暗了之后，又精確地做了測量，給它結(jié)合起來。再加上慧眼衛(wèi)星后面還有掃描，讓極目（GECAM-C）衛(wèi)星后面也接上了，所以是一個(gè)神配合，把伽馬射線暴從最開始一直到后面都給精確地測量出來了，這也是我們這篇論文報(bào)告的最主要的內(nèi)容。”張雙南說。
除此之外，張冰教授介紹，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。
張冰說：“什么樣的一個(gè)中心引擎，可以在1分鐘內(nèi)把8個(gè)太陽的質(zhì)量全部轉(zhuǎn)化為能量，幾乎是不可能的。所以我們說它是一個(gè)有史以來最亮，實(shí)際上是兩個(gè)層次。在慧眼和極目之前，大家是說觀測到它是有史以來最亮，那么通過觀測我們做到本質(zhì)上它也是有史以來最亮的。在余輝的數(shù)據(jù)中找到了拐折，可以推測較窄噴流的存在。那么總結(jié)起來這次慧眼和極目的觀測研究，對(duì)于深入理解伽馬暴這種極端宇宙的爆發(fā)現(xiàn)象提供了嶄新視角。”