我国观测到迄今最亮伽马射线暴(科技自立自强)


  图①:科学载荷“高能爆发探索者”(示意图)。
  图②:“慧眼”卫星(示意图)。
  图③:中国高海拔宇宙线观测站(“拉索”)。
  以上均为中科院高能所供图
  制图:张丹峰

中国科学院高能物理研究所负责建设和运行管理的中国高海拔宇宙线观测站(“拉索”)、科学载荷“高能爆发探索者”和“慧眼”卫星三大科学装置,近日同时探测到迄今最亮的伽马射线暴(GRB221009A)。这是我国首次实现对伽马射线暴的天地多手段联合观测,打破了伽马射线暴亮度最高、光子能量最高、探测能量范围最高等多项伽马射线暴观测纪录,对于揭示伽马射线暴的爆发机制具有重要价值。

比以往最亮伽马射线暴亮10倍以上

伽马射线暴是宇宙中最剧烈的天体爆发现象,首次发现于上世纪60年代。伽马射线暴短至几毫秒,长达数小时,释放的能量超过太阳在其一生辐射能量的总和。持续时间较长的伽马射线暴产生于比太阳大几十倍的恒星星体坍缩爆炸,而持续时间较短的伽马射线暴则产生于两个致密天体(如黑洞或中子星)合并爆炸,还可能伴随发射引力波。

伽马射线暴的观测研究是天文前沿领域,近年来不断取得重大突破。2017年8月17日,在一个由两颗中子星合并爆炸产生的伽马射线暴之前观测到伴随产生的引力波,这是人类首次在电磁波和引力波窗口同时观测宇宙天体,开启了多信使天文学的新时代。

此次,迄今最亮的GRB221009A伽马射线暴,近日被三大科学装置同时探测到。在这个伽马射线暴发生之前,人类探测到的伽马射线暴亮度纪录保持者是2013年4月27日发生的编号为GRB130427A的一个伽马射线暴,全世界几乎所有重要望远镜都进行了观测。

本次观测中,“拉索”将伽马射线暴光子最高能量纪录提升近20倍,在国际上首次打开10万亿电子伏波段的伽马射线暴观测窗口,并与“慧眼”卫星和“高能爆发探索者”一起,发现这个爆发事件比以往人类观测到的最亮伽马射线暴亮了10倍以上。

实现对伽马射线暴的天地多手段联合观测

本次探测到的高强度爆发,发生在距离地球24亿光年处。如此明亮的伽马射线爆发,预计每几十年甚至百年才会出现一次。本次“拉索”探测到了大量的高能光子,最高光子能量达到了18万亿电子伏,在国际上首次打开了10万亿电子伏波段的伽马射线暴观测窗口。

“拉索”实验中科院高能所团队首席科学家曹臻研究员说:“这次‘拉索’在千亿电子伏以上的甚高能区记录到几万个光子信号,将给出伽马射线暴最高能段的光变曲线最精细的测量。”

凭借先进的探测器设计,“高能爆发探索者”成功对伽马射线暴GRB221009A的软伽马射线光变特征进行高精度观测,展现出初期爆发和后随闪耀的演化过程。“慧眼”卫星的高能、中能和低能X射线望远镜首次在伽马射线暴观测中同时探测到信号,而且因为“慧眼”卫星当时正在扫描观测该天区,从而对这个迄今最亮伽马射线暴的余晖进行了及时监测。

得益于中科院高能所近些年天地一体化观测能力建设的高速发展,尤其是“拉索”的成功建造和运行占据国际领先地位,高能所首次实现对伽马射线暴的天地多手段联合观测,并独家实现从最高的十几万亿电子伏光子(“拉索”)到百万电子伏伽马射线(“高能爆发探索者”)和千电子伏X射线(“慧眼”卫星)的多谱段精细测量,跨越超9个量级。

曹臻说:“在过去半个多世纪探测到的数千个伽马射线暴中,最高能量光子达到大约1万亿电子伏(TeV)。本次‘拉索’探测到大量的高能光子,最高光子能量达到18万亿电子伏。”

引发巨大反响,大量相关研究迅速展开

“拉索”是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施,由中国自主提出并设计建造。该观测站位于四川省稻城县海拔4410米的海子山,主体工程于2021年7月完成建设并投入科学运行,是目前世界上灵敏度最高的超高能伽马射线天文台,其运行开启了“超高能伽马天文学”观测时代。捕捉和高统计量观测伽马射线暴是“拉索”的重要科学目标之一,此次亮度空前的爆发正好发生在“拉索”视场的中心附近,为完成该项科学目标奠定了强大的观测基础。

“慧眼”卫星是我国第一颗空间X射线天文卫星,于2017年6月发射运行,在轨观测5年多来,已在黑洞、中子星、快速射电暴等方面取得一大批重要原创成果。

“高能爆发探索者”是今年7月发射的空间新技术试验卫星的主要科学载荷之一,它采用“怀柔一号”卫星所开创的新型探测技术以及基于北斗短报文的准实时星地通信方案,能够迅速下传观测数据。“高能爆发探索者”目前处于在轨测试阶段,预计将获得更多重要成果。

伽马射线暴GRB221009A发生后,“拉索”实验中科院高能所团队迅速展开数据分析,在爆发后不到两天就通过伽马射线暴协同观测网(GCN)向国际同行发布初步观测结果。进一步的数据分析和科学研究正由“拉索”国际合作组成员全力开展。中科院高能所“慧眼”卫星和“高能爆发探索者”观测运行团队、载荷团队和数据分析团队正迅速投入观测分析,并及时启动机遇观测。在项目团队密切协作下,“慧眼”卫星和“高能爆发探索者”已得到初步分析结果,并通过天文电报和伽马射线暴协同观测网向国际同行发布。

目前,探测结果已在国际引发巨大反响,大量相关研究展开,涌现出关于新物理可能性的许多讨论。这些测量对宇宙中存在的背景光场等基本物理参数和模型将作出强烈的限制,预计会产生重要的认知水平提升。


  《 人民日报 》( 2022年10月18日 14 版)