圖①：科學載荷“高能爆發(fā)探索者”（示意圖）。

圖②：“慧眼”衛(wèi)星（示意圖）。

圖③：中國高海拔宇宙線觀測站（“拉索”）。

以上均為中科院高能所供圖

制圖：張丹峰

中國科學院高能物理研究所負責建設和運行管理的中國高海拔宇宙線觀測站（“拉索”）、科學載荷“高能爆發(fā)探索者”和“慧眼”衛(wèi)星三大科學裝置，近日同時探測到迄今最亮的伽馬射線暴（GRB 221009A）。這是我國首次實現對伽馬射線暴的天地多手段聯合觀測，打破了伽馬射線暴亮度最高、光子能量最高、探測能量范圍最高等多項伽馬射線暴觀測紀錄，對于揭示伽馬射線暴的爆發(fā)機制具有重要價值。

比以往最亮伽馬射線暴亮10倍以上

伽馬射線暴是宇宙中最劇烈的天體爆發(fā)現象，首次發(fā)現于上世紀60年代。伽馬射線暴短至幾毫秒，長達數小時，釋放的能量超過太陽在其一生輻射能量的總和。持續(xù)時間較長的伽馬射線暴產生于比太陽大幾十倍的恒星星體坍縮爆炸，而持續(xù)時間較短的伽馬射線暴則產生于兩個致密天體（如黑洞或中子星）合并爆炸，還可能伴隨發(fā)射引力波。

伽馬射線暴的觀測研究是天文前沿領域，近年來不斷取得重大突破。2017年8月17日，在一個由兩顆中子星合并爆炸產生的伽馬射線暴之前觀測到伴隨產生的引力波，這是人類首次在電磁波和引力波窗口同時觀測宇宙天體，開啟了多信使天文學的新時代。

此次，迄今最亮的GRB 221009A伽馬射線暴，近日被三大科學裝置同時探測到。在這個伽馬射線暴發(fā)生之前，人類探測到的伽馬射線暴亮度紀錄保持者是2013年4月27日發(fā)生的編號為GRB 130427A的一個伽馬射線暴，全世界幾乎所有重要望遠鏡都進行了觀測。

本次觀測中，“拉索”將伽馬射線暴光子最高能量紀錄提升近20倍，在國際上首次打開10萬億電子伏波段的伽馬射線暴觀測窗口，并與“慧眼”衛(wèi)星和“高能爆發(fā)探索者”一起，發(fā)現這個爆發(fā)事件比以往人類觀測到的最亮伽馬射線暴亮了10倍以上。

實現對伽馬射線暴的天地多手段聯合觀測

本次探測到的高強度爆發(fā)，發(fā)生在距離地球24億光年處。如此明亮的伽馬射線爆發(fā)，預計每幾十年甚至百年才會出現一次。本次“拉索”探測到了大量的高能光子，最高光子能量達到了18萬億電子伏，在國際上首次打開了10萬億電子伏波段的伽馬射線暴觀測窗口。

“拉索”實驗中科院高能所團隊首席科學家曹臻研究員說：“這次‘拉索’在千億電子伏以上的甚高能區(qū)記錄到幾萬個光子信號，將給出伽馬射線暴最高能段的光變曲線最精細的測量?！?/p>

憑借先進的探測器設計，“高能爆發(fā)探索者”成功對伽馬射線暴GRB 221009A的軟伽馬射線光變特征進行高精度觀測，展現出初期爆發(fā)和后隨閃耀的演化過程?！盎垩邸毙l(wèi)星的高能、中能和低能X射線望遠鏡首次在伽馬射線暴觀測中同時探測到信號，而且因為“慧眼”衛(wèi)星當時正在掃描觀測該天區(qū)，從而對這個迄今最亮伽馬射線暴的余暉進行了及時監(jiān)測。

得益于中科院高能所近些年天地一體化觀測能力建設的高速發(fā)展，尤其是“拉索”的成功建造和運行占據國際領先地位，高能所首次實現對伽馬射線暴的天地多手段聯合觀測，并獨家實現從最高的十幾萬億電子伏光子（“拉索”）到百萬電子伏伽馬射線（“高能爆發(fā)探索者”）和千電子伏X射線（“慧眼”衛(wèi)星）的多譜段精細測量，跨越超9個量級。

曹臻說：“在過去半個多世紀探測到的數千個伽馬射線暴中，最高能量光子達到大約1萬億電子伏（TeV）。本次‘拉索’探測到大量的高能光子，最高光子能量達到18萬億電子伏?！?/p>

引發(fā)巨大反響，大量相關研究迅速展開

“拉索”是以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎設施，由中國自主提出并設計建造。該觀測站位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，主體工程于2021年7月完成建設并投入科學運行，是目前世界上靈敏度最高的超高能伽馬射線天文臺，其運行開啟了“超高能伽馬天文學”觀測時代。捕捉和高統(tǒng)計量觀測伽馬射線暴是“拉索”的重要科學目標之一，此次亮度空前的爆發(fā)正好發(fā)生在“拉索”視場的中心附近，為完成該項科學目標奠定了強大的觀測基礎。

“慧眼”衛(wèi)星是我國第一顆空間X射線天文衛(wèi)星，于2017年6月發(fā)射運行，在軌觀測5年多來，已在黑洞、中子星、快速射電暴等方面取得一大批重要原創(chuàng)成果。

“高能爆發(fā)探索者”是今年7月發(fā)射的空間新技術試驗衛(wèi)星的主要科學載荷之一，它采用“懷柔一號”衛(wèi)星所開創(chuàng)的新型探測技術以及基于北斗短報文的準實時星地通信方案，能夠迅速下傳觀測數據。“高能爆發(fā)探索者”目前處于在軌測試階段，預計將獲得更多重要成果。

伽馬射線暴GRB 221009A發(fā)生后，“拉索”實驗中科院高能所團隊迅速展開數據分析，在爆發(fā)后不到兩天就通過伽馬射線暴協同觀測網（GCN）向國際同行發(fā)布初步觀測結果。進一步的數據分析和科學研究正由“拉索”國際合作組成員全力開展。中科院高能所“慧眼”衛(wèi)星和“高能爆發(fā)探索者”觀測運行團隊、載荷團隊和數據分析團隊正迅速投入觀測分析，并及時啟動機遇觀測。在項目團隊密切協作下，“慧眼”衛(wèi)星和“高能爆發(fā)探索者”已得到初步分析結果，并通過天文電報和伽馬射線暴協同觀測網向國際同行發(fā)布。

目前，探測結果已在國際引發(fā)巨大反響，大量相關研究展開，涌現出關于新物理可能性的許多討論。這些測量對宇宙中存在的背景光場等基本物理參數和模型將作出強烈的限制，預計會產生重要的認知水平提升。吳月輝