三大科學(xué)裝置同時探測到迄今最亮的伽馬射線暴

穿越星空團隊

近日，中國科學(xué)院高能物理研究所（中科院高能所）負責(zé)建設(shè)和運行管理的中國高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，昵稱“拉索”）、“高能爆發(fā)探索者”（HEBS）和“慧眼”衛(wèi)星（Insight-HXMT）等三大科學(xué)裝置，通過天地聯(lián)合，同時探測到迄今最亮的編號GRB 221009A 伽馬射線暴，打破了伽馬射線暴光子最高能量、最亮伽馬射線等人類觀測宇宙中伽馬射線暴的多項紀錄。

“1+1+1”=“天地聯(lián)合”

“懷柔一號”衛(wèi)星（圖片來源：中科院高能所）

LHAASO 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，由我國自主提出并設(shè)計建造。觀測站位于四川省稻城縣海拔4410 米的海子山，占地面積約1.36 平方公里。LHAASO 主體工程于2021年7月完成建設(shè)并投入科學(xué)運行，是世界上靈敏度最高的超高能伽馬射線天文臺。捕捉和高統(tǒng)計量觀測伽馬射線暴是LHAASO 的重要科學(xué)目標之一。LHAASO 的運行開啟了“超高能伽馬天文學(xué)”觀測時代。此次亮度空前的爆發(fā)正好發(fā)生在LHAASO 視場的中心附近，為達成此項科學(xué)目標奠定了強大的觀測基礎(chǔ)。

“高能爆發(fā)探索者”于2022年7月27日發(fā)射，是我國近期發(fā)射的空間新技術(shù)試驗衛(wèi)星的主要科學(xué)載荷之一。采用“懷柔一號”衛(wèi)星所開創(chuàng)的新型探測技術(shù)以及基于北斗短報文的準實時星地通訊方案，能夠迅速下傳觀測數(shù)據(jù)。HEBS 目前處于在軌測試階段，預(yù)期將獲得更多重要成果。

“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15日發(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。

什么是伽馬射線暴？

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20世紀60年代。伽馬射線暴短至幾毫秒，長達數(shù)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(chǎn)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(chǎn)生于兩個致密天體（比如黑洞或中子星）合并爆炸，后者還可能伴隨發(fā)射引力波。這次高強度的爆發(fā)發(fā)生在距離地球兩千多兆光年處，這么近距離的伽馬射線爆發(fā)估計幾十年甚至百年才出現(xiàn)一次。

GRB 221009A 爆發(fā)時刻在LHAASO 視場中的位置（圖片來源：中科院高能所）

“慧眼”衛(wèi)星觀測迄今最亮的伽馬射線暴（GRB 221009A）。在伽馬射線暴發(fā)生前后，“慧眼”衛(wèi)星恰好在對該天區(qū)進行掃描觀測，綠色點線代表望遠鏡指向的掃描軌跡（圖片來源：中科院高能所）

LHAASO 在百GeV 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。憑借先進的探測器設(shè)計，HEBS 成功對該伽馬射線暴的軟伽馬射線光變特征進行了高精度觀測，完美展現(xiàn)了初期爆發(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?！盎垩邸毙l(wèi)星當時正在掃描觀測這個天區(qū)，因而對該伽馬射線暴的余輝進行了及時監(jiān)測。這些能量相差上十億倍的測量結(jié)果，對于建立正確的伽馬射線暴爆發(fā)機制模型極為重要。

本次探測在國際上引發(fā)巨大反響

在過去半個多世紀探測到的數(shù)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）。特別值得一提的是，本次LHAASO以無與倫比的接收度探測到大量的高能光子，最高光子能量達到18TeV。LHAASO 的探測結(jié)果已經(jīng)引發(fā)了國際上巨大的反響，大量的相關(guān)研究迅速展開，涌現(xiàn)出關(guān)于新物理可能性的許多討論。同時，這些測量對宇宙中存在的背景光場等基本物理參數(shù)和模型將做出強烈的限制，預(yù)計將產(chǎn)生重要的認知水平的提升。

該伽馬射線暴發(fā)生后，LHAASO 實驗高能所團隊在首席科學(xué)家曹臻研究員帶領(lǐng)下迅速展開數(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)（Gamma-ray Coordinates Network，GCN）向國際同行發(fā)布初步觀測結(jié)果。進一步的數(shù)據(jù)分析和科學(xué)研究正由LHAASO 合作組成員全力開展。

高能所“慧眼”衛(wèi)星和HEBS 觀測運行團隊、載荷團隊和數(shù)據(jù)分析團隊在“慧眼”衛(wèi)星首席科學(xué)家張雙南研究員和HEBS 項目首席科學(xué)家熊少林研究員的帶領(lǐng)下，迅速投入觀測分析，并及時啟動了機遇觀測。在團隊的密切協(xié)作下，“慧眼”衛(wèi)星和HEBS 已經(jīng)得到初步分析結(jié)果，并已通過天文電報（Astronomer’s Telegram）和GCN向國際同行發(fā)布。