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      1. 學術科研
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        慧眼衛星和極目空間望遠鏡精確探測迄今最亮伽馬射線暴
        文章來源:大裝置管理中心 粒子天體中心  2023-03-28
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          北京時間3月29日凌晨2點,中國科學院高能物理研究所(簡稱高能所)與全球40余家科研機構聯合發布對迄今最亮伽馬射線暴(簡稱伽馬暴)GRB 221009A的研究成果。高能所牽頭研制的慧眼衛星(Insight-HXMT)和極目空間望遠鏡(GECAM-C)成功地在硬X射線和軟伽馬能段對該伽馬暴的瞬時輻射和早期余輝進行了國際最高精度的測量,不僅發現其具有迄今觀測到的最大亮度,將伽馬暴的亮度紀錄提升了50倍,而且發現其各向同性能量也打破紀錄,相當于在1分鐘內釋放8個太陽質量的全部能量,還揭示其產生了極為狹窄、極端明亮、接近光速運動的噴流,對這個千年一遇的天體爆發的研究做出了獨特貢獻。本項工作由中國科學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,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華達大學拉斯維加斯分校張冰教授(論文已在線發布于arXiv:2303.01203)。 

          值得指出的是,在對該歷史性伽馬暴的觀測中,高能所牽頭建造的高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)與慧眼衛星和極目空間望遠鏡開展了天地聯合觀測,其中,高海拔宇宙線觀測站利用其大量的甚高能觀測數據,做出了多項重要首次發現,將稍后發布。

          伽馬暴是宇宙大爆炸之后最劇烈的爆炸現象,包括兩種類型,一類產生于很大質量恒星的核心坍縮爆炸,持續時間通常長于2秒,此次發現的伽馬暴即屬于此類;另一類產生于兩顆極端致密天體(中子星、黑洞等)的合并爆炸,持續時間通常短于2秒,并同時發出引力波。這兩類天體爆炸均能產生一顆黑洞或中子星等極端致密天體,其通過極強引力吞噬周圍物質并以接近光速從兩極噴射物質,形成一對相反方向的噴流。噴流內部的激波或磁重聯等過程加速帶電粒子產生伽馬射線輻射,稱為瞬時輻射。噴流和周圍的星際介質相互作用也能產生輻射,稱為余輝。只有噴流恰好對準地球時,人類才有機會探測到這些輻射。 

          自從1967年人類發現首個伽馬暴以來,已探測到近萬例伽馬暴。2022年10月9日,包括高能所牽頭建造的空間和地面觀測設備在內的全球眾多天文設施均觀測到這個迄今最亮的伽馬暴(編號GRB 221009A),其產生于距離地球24億光年的宇宙深處。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。 

          我國專門為探測伽馬暴和引力波電磁對應體而建造的極目空間望遠鏡和我國首臺空間X射線天文望遠鏡慧眼衛星聯合,在硬X射線和軟伽馬射線能段精確刻畫了該伽馬暴從前兆輻射到主暴、耀發以及早期余輝的各個關鍵階段的輻射性質。其中,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生的各種儀器效應(包括數據飽和丟失、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。而慧眼衛星配備的高能X射線望遠鏡憑借其在兆電子伏能區最大的有效面積,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量數據。 

          基于極目空間望遠鏡的精確觀測數據,研究團隊發現該伽馬暴具有迄今探測到的最高的亮度,并將伽馬暴亮度紀錄提升了50倍!由于伽馬暴距離地球十分遙遠,對于它發出的所有伽馬射線來說,我們探測到的只是滄海一粟。通常我們無法知曉伽馬暴向我們視線之外的方向輻射了多少能量,假設伽馬暴向各個方向輻射了幾乎相同數量的伽馬射線,那么根據我們探測到的伽馬射線和伽馬暴的距離,可計算該伽馬暴向各個方向發出的所有伽馬射線的總能量,即各向同性能量。研究團隊發現這個伽馬暴的各向同性能量也打破紀錄,超過了10的55次方爾格,相當于在1分鐘內釋放8個太陽質量的全部能量!  

          慧眼和極目的聯合觀測結果可以推測,該伽馬暴的余輝由慢衰減到快衰減的拐折出現得非常早,意味著產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。因此,本次慧眼和極目的觀測研究對于深入理解這種極端宇宙爆發現象提供了嶄新視角。  

          慧眼衛星和極目空間望遠鏡均由高能所提出和牽頭研制?;垩坌l星由李惕碚、吳枚等人于1993年提出項目建議,2011年獲得工程立項。其研制得到了國家國防科技工業局民用航天科研經費和中國科學院“空間科學”(一期)戰略性先導科技專項的共同支持,高能所負責衛星有效載荷、地面應用系統和科學研究工作,航天科技集團公司五院為衛星總體單位。自2017年6月15日發射升空以來,慧眼衛星已在軌穩定運行超過5年,已在黑洞、中子星、快速射電暴等領域取得一系列重要成果。 

          “懷柔一號”極目(GECAM)衛星是中國科學院“空間科學”(二期)戰略性先導科技專項支持的機遇型空間科學項目,由高能所于2016年提出項目建議,2018年獲得工程立項。參與本次發現的是極目系列的第三個載荷(編號GECAM-C),其于2022年7月27日搭載中國科學院微小衛星創新研究院牽頭研制的空間新技術試驗衛星(SATech-01)發射入軌。極目系列衛星采用了一系列創新的探測技術,并開創性地使用北斗導航系統短報文服務實現星地準實時通訊,已發現一大批伽馬暴、磁星爆發、快速射電暴的高能對應體、太陽耀斑以及地球伽馬閃等高能爆發現象。 

          本項研究獲得了科技部重點研發計劃項目、國家自然科學基金等項目的資助。 

           

          圖1 慧眼衛星和極目空間望遠鏡觀測迄今最亮伽馬暴示意圖。

          

          圖2 迄今發現的最亮伽馬射線暴(GRB 221009A)想象圖。 


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