圖①：科學(xué)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(xué)院高能物理研究所負(fù)責(zé)建設(shè)和運(yùn)行管理的中國高海拔宇宙線觀測站（“拉索”）、科學(xué)載荷“高能爆發(fā)探索者”和“慧眼”衛(wèi)星三大科學(xué)裝置，近日同時(shí)探測到迄今最亮的伽馬射線暴（GRB 221009A）。這是我國首次實(shí)現(xiàn)對伽馬射線暴的天地多手段聯(lián)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(xiàng)伽馬射線暴觀測紀(jì)錄，對于揭示伽馬射線暴的爆發(fā)機(jī)制具有重要價(jià)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(xiàn)象，首次發(fā)現(xiàn)于上世紀(jì)60年代。伽馬射線暴短至幾毫秒，長達(dá)數(shù)小時(shí)，釋放的能量超過太陽在其一生輻射能量的總和。持續(xù)時(shí)間較長的伽馬射線暴產(chǎn)生于比太陽大幾十倍的恒星星體坍縮爆炸，而持續(xù)時(shí)間較短的伽馬射線暴則產(chǎn)生于兩個(gè)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(lǐng)域，近年來不斷取得重大突破。2017年8月17日，在一個(gè)由兩顆中子星合并爆炸產(chǎn)生的伽馬射線暴之前觀測到伴隨產(chǎn)生的引力波，這是人類首次在電磁波和引力波窗口同時(shí)觀測宇宙天體，開啟了多信使天文學(xué)的新時(shí)代。

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

本次觀測中，“拉索”將伽馬射線暴光子最高能量紀(jì)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(xiàn)這個(gè)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(shí)現(xiàn)對伽馬射線暴的天地多手段聯(lián)合觀測

本次探測到的高強(qiáng)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(yù)計(jì)每幾十年甚至百年才會(huì)出現(xiàn)一次。本次“拉索”探測到了大量的高能光子，最高光子能量達(dá)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(shí)驗(yàn)中科院高能所團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)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(gè)光子信號，將給出伽馬射線暴最高能段的光變曲線最精細(xì)的測量?！?/p>

憑借先進(jìn)的探測器設(shè)計(jì)，“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(jìn)行高精度觀測，展現(xiàn)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(yuǎn)鏡首次在伽馬射線暴觀測中同時(shí)探測到信號，而且因?yàn)椤盎垩邸毙l(wèi)星當(dāng)時(shí)正在掃描觀測該天區(qū)，從而對這個(gè)迄今最亮伽馬射線暴的余暉進(jìn)行了及時(shí)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(shè)的高速發(fā)展，尤其是“拉索”的成功建造和運(yùn)行占據(jù)國際領(lǐng)先地位，高能所首次實(shí)現(xiàn)對伽馬射線暴的天地多手段聯(lián)合觀測，并獨(dú)家實(shí)現(xiàn)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(xì)測量，跨越超9個(gè)量級。

曹臻說：“在過去半個(gè)多世紀(jì)探測到的數(shù)千個(gè)伽馬射線暴中，最高能量光子達(dá)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(dá)到18萬億電子伏。”

引發(fā)巨大反響，大量相關(guān)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(chǔ)設(shè)施，由中國自主提出并設(shè)計(jì)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(shè)并投入科學(xué)運(yùn)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(yùn)行開啟了“超高能伽馬天文學(xué)”觀測時(shí)代。捕捉和高統(tǒng)計(jì)量觀測伽馬射線暴是“拉索”的重要科學(xué)目標(biāo)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(xiàng)科學(xué)目標(biāo)奠定了強(qiáng)大的觀測基礎(chǔ)。

“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(yùn)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(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星的主要科學(xué)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(shù)以及基于北斗短報(bào)文的準(zhǔn)實(shí)時(shí)星地通信方案，能夠迅速下傳觀測數(shù)據(jù)?！案吣鼙l(fā)探索者”目前處于在軌測試階段，預(yù)計(jì)將獲得更多重要成果。

伽馬射線暴GRB 221009A發(fā)生后，“拉索”實(shí)驗(yàn)中科院高能所團(tuán)隊(duì)迅速展開數(shù)據(jù)分析，在爆發(fā)后不到兩天就通過伽馬射線暴協(xié)同觀測網(wǎng)（GCN）向國際同行發(fā)布初步觀測結(jié)果。進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和科學(xué)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(yùn)行團(tuán)隊(duì)、載荷團(tuán)隊(duì)和數(shù)據(jù)分析團(tuán)隊(duì)正迅速投入觀測分析，并及時(shí)啟動(dòng)機(jī)遇觀測。在項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)密切協(xié)作下，“慧眼”衛(wèi)星和“高能爆發(fā)探索者”已得到初步分析結(jié)果，并通過天文電報(bào)和伽馬射線暴協(xié)同觀測網(wǎng)向國際同行發(fā)布。

目前，探測結(jié)果已在國際引發(fā)巨大反響，大量相關(guān)研究展開，涌現(xiàn)出關(guān)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(shù)和模型將作出強(qiáng)烈的限制，預(yù)計(jì)會(huì)產(chǎn)生重要的認(rèn)知水平提升。吳月輝