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千年一遇的迄今最亮伽馬射線暴我國衛(wèi)星如何精確探測？全球焦點

2023-03-29 12:56:29來源：極目新聞

央廣網(wǎng)北京3月29日消息（總臺中國之聲記者孫魯晉）據(jù)中央廣播電視總臺中國之聲《新聞縱橫》報道，北京時間今天（29日）凌晨2點，中國科學(xué)院高能物理研究所與全球40余家科研機構(gòu)聯(lián)合發(fā)布對迄今最亮伽馬射線暴GRB221009A的研究成果。

(相關(guān)資料圖)

慧眼衛(wèi)星和極目空間望遠鏡觀測迄今最亮伽馬暴示意圖

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)星和極目空間望遠鏡成功地對編號為GRB221009A的伽馬射線暴的瞬時輻射和早期余輝進行了國際最高精度的測量。本項工作由中國科學(xué)院粒子天體物理重點實驗室牽頭的國際合作團隊完成，成員來自中國、美國、意大利、法國、德國等30余家研究機構(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l(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，極目空間望遠鏡首席科學(xué)家熊少林介紹，伽馬射線暴的產(chǎn)生機制有兩種類型，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，中間可能會形成一個黑洞，黑洞的引力非常強，它就會把一部分物質(zhì)吞噬掉，但它們也不一定會把所有的物質(zhì)全都吃掉，而是會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?！?/p>

只有噴流恰好對準地球時，人類才有機會探測到這些輻射。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，它們在繞轉(zhuǎn)并合到最后相撞在一起，也會產(chǎn)生爆炸和噴流。

聽到這里，一定會有人想問，為什么叫“伽馬射線暴”呢？熊少林解釋說，因為它在伽馬射線波段輻射是最強的，能量也是最多的，“這個輻射就是來自噴流里面產(chǎn)生的，當噴流跟外面星際介質(zhì)相互作用的時候，它會產(chǎn)生更多的輻射，這個輻射的能段更寬，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)星和極目空間望遠鏡是對瞬時輻射和早期余輝的發(fā)現(xiàn)成果?！?/p>

事實上，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，往往被認為是特殊重要的。因為明亮帶來的好處是可以幫助人類更好觀測它，從而進行更細致的研究，進一步理解伽馬射線暴的形成機制。

比如，去年10月9日晚上，來自中國的這項重要發(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釋放出強大的能量噴流。張冰說，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的千年一遇的歷史性事件。

“千年一遇和萬年一遇是一個什么樣的概念？你想想在上一次發(fā)生的時候，如果是一千年的時候，那么我們當時還正在宋朝，如果是一萬年，我們當時還是山頂洞人的時候。而這樣一個伽馬暴正好是發(fā)生在了這個時候，人類進入了能夠觀測伽馬射線暴的時代，而且中國有兩架空間望遠鏡可以同時觀測它，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，因為它將伽馬暴的亮度紀錄提升了50倍。張冰表示，此次探測數(shù)據(jù)的科學(xué)意義和貢獻還在于，研究團隊發(fā)現(xiàn)這個伽馬暴的絕對的能量和亮度均打破紀錄。

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次方爾格是一個什么樣的概念？也就是把一個太陽完全消失掉，把它全部轉(zhuǎn)化為能量，都不可能達到這么大，需要8個太陽才能夠達到這么大。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遠不夠，需要1萬個這樣的太陽，把它全部能量加起來，而且它輻射的時間就在一分鐘之內(nèi)就釋放出來?？上攵?，這樣的一個伽馬射線暴前所未有的是非常明亮的?！?/p>

迄今發(fā)現(xiàn)的最亮伽馬射線暴（GRB221009A）想象圖

但同時，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)計的空間望遠鏡都出現(xiàn)了“數(shù)據(jù)飽和”的現(xiàn)象，也就是因為信號過多而導(dǎo)致望遠鏡“失明”。

熊少林說，高能所此次研究在國際上的優(yōu)勢和重要貢獻是，我國的慧眼衛(wèi)星和極目空間望遠鏡聯(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，沒有任何丟失數(shù)據(jù)，這也是中國高能所對這個伽馬射線暴的獨特貢獻，因為全世界其他的幾乎所有望遠鏡都沒有精確測量這個伽馬射線暴，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?！毙苌倭终f。

之所以能做到精確探測，是因為在此期間，極目空間望遠鏡正好處于能夠記錄極高伽馬射線流強的特殊觀測模式，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”。

“當它爆發(fā)的主峰過去之后，進入了比較暗的余輝階段的時候，這會兒慧眼衛(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告的最主要的內(nèi)容?！睆堧p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。研究團隊認為，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：“什么樣的一個中心引擎，可以在1分鐘內(nèi)把8個太陽的質(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有史以來最亮，實際上是兩個層次。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。”

（來源：央廣網(wǎng)）

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