千年一遇！迄今最亮伽马射线暴，“慧眼”“极目”如何联合捕捉到？

3月29日凌晨2点，中国、美国、欧洲、日本等国家和地区的科学家同时发布了一则重磅新闻，报告了对一次“千年一遇”“史上最亮”的伽马射线暴（GRB 221009A）的研究成果。

撰文/特约记者 李鹏 图文编辑/陈永杰

新媒体编辑/吕冰心

采访专家：

张双南（中国科学院高能物理研究所研究员）

伽马射线暴是如何产生？为什么它在短短的几分钟内，甚至几秒钟内释放出来非常巨大的能量，比太阳在100亿年的寿命里面释放的能量总和还要多？现在全球的科学家们正在针对这些问题苦苦寻找答案。

来自24亿光年之外宇宙深处的一次超级闪爆，2022年10月传播到了地球上空，这次中国的科学家们和国际科学界的同行们一道抓住了它，中国的空间望远镜联合观测立下了汗马功劳。

北京时间3月29日凌晨2点，中国科学院高能物理研究所（以下简称中科院高能所）与全球40余家科研机构联合发布了对迄今最亮伽马射线暴（简称伽马暴）GRB 221009A的研究成果，我国自主研发的“慧眼”卫星（Insight-HXMT）和“极目”空间望远镜(GECAM-C)多项探测均打破了记录。

▲迄今发现的最亮伽马射线暴（GRB 221009A）想象图。（供图/中国科学院高能物理研究所）

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中国对这个千年一遇天体做出独特贡献

2022年10月9日21点17分（北京时间），我国高海拔宇宙线观测站（LHAASO，拉索）、“慧眼”卫星（Insight-HXMT）和“极目”空间望远镜（GECAM-C）同时探测到迄今最亮的伽马射线暴（编号GRB 221009A），这是我国首次实现对伽马射线暴的天地多手段联合观测。

GRB 221009A创记录的爆发，几乎吸引了全球主流天文观测和研究机构的目标，而后相关数据处理和研究也进入紧张的开展之中。中科院高能所牵头研制的“慧眼”卫星和“极目”空间望远镜(GECAM-C)凭借独特的设计，和特殊的工作模式，成功地在硬X射线和软伽马能段对该伽马射线暴的瞬时辐射和早期余辉进行了国际最高精度的测量。

基于“极目”空间望远镜的精确观测数据，研究团队发现该伽马暴具有迄今探测到的最高的亮度，并将伽马暴亮度纪录提升了50倍。由于这个伽马射线暴距离地球十分遥远，对于它发出的所有伽马射线来说，人类探测到的只是沧海一粟。通常我们无法知晓伽马射线暴向我们视线之外的方向辐射了多少能量，假设伽马暴向各个方向辐射了几乎相同数量的伽马射线，那么根据我们探测到的伽马射线和伽马暴的距离，可计算该伽马暴向各个方向发出的所有伽马射线的总能量，即各向同性能量。研究团队发现这个伽马暴的各向同性能量也打破纪录，相当于在1分钟内释放8个太阳质量的全部能量，还揭示其产生了极为狭窄、极端明亮、接近光速运动的喷流，对这个千年一遇的天体爆发的研究做出了独特贡献。

据悉，本项工作由中科院粒子天体物理重点实验室牵头的国际合作团队完成，成员来自中国、美国、意大利、法国、德国等30余家研究机构，相关成果论文已在预印本平台上在线发布。中科院高能所粒子天体物理中心副主任、“极目”空间望远镜首席科学家熊少林研究员，中科院高能所粒子天体物理中心主任、“慧眼”卫星首席科学家张双南研究员，美国内华达大学拉斯维加斯分校张冰教授为论文共同通讯作者，国际合作团队另有175人为论文署名作者。

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什么是伽马射线暴？这次为何很特殊？

伽马射线暴（Gamma Ray Burst，缩写GRB），又称伽马暴，是来自天空中某一方向的伽马射线强度在短时间内突然增强，随后又迅速减弱的现象，是宇宙大爆炸之后最剧烈的爆炸现象，被称为宇宙中最强大的事件。

伽马射线暴通常由爆炸的恒星产生，这些恒星在它们生命周期的最后阶段会发生剧烈的爆炸。这种爆炸会释放大量的能量，包括伽马射线、X射线和可见光。伽马射线暴的一种类型称为长暴，它们持续时间长通常长于2秒，有的达到几十秒至数分钟，甚至是更长的时间。此次发现的伽马暴即属于此类。还有一类短暴则持续时间在2秒以内持续时间。长暴一般认为产生于很大质量恒星的核心坍缩爆炸，由超新星爆炸形成，而短暴产生于两颗极端致密天体（中子星、黑洞等）的合并爆炸，同时会发出引力波。这两类天体爆炸均能产生一颗黑洞或中子星等极端致密天体，其通过极强引力吞噬周围物质并以接近光速从两极喷射物质，形成一对相反方向的喷流。其中，喷流内部的激波或磁重联等过程加速带电粒子产生伽马射线辐射，称为瞬时辐射；喷流和周围的星际介质相互作用产生的辐射，称为余辉。

自从1967年人类发现首个伽马暴以来，已探测到近万例伽马暴。2022年10月9日，包括中科院高能所牵头建造的空间和地面观测设备在内的全球众多天文设施均观测到GRB 221009A这个迄今最亮的伽马射线暴，并发现其产生于银河系之外、距离地球24亿光年的宇宙深处。该伽马暴具有极端的亮度和相对较近的距离，并且被人类得以成功捕捉，使其成为名副其实的千年一遇的历史性事件。

中国科学院高能物理研究所研究员张双南解释说，虽然宇宙中伽马射线暴有很多，也肯定还存在亮度更高的伽马暴，但其喷流正好指向地球且被探测到的机会却是非常难得，只有喷流恰好对准地球时，人类才有机会探测到这些辐射。因此，本次研究精确探测到迄今最亮伽马暴是千年甚至万年都难碰到的。

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中国利器联合协同成功捕捉

在本次历史性的观测中，来自中国的科研利器发挥了一些独特的作用。中科院高能物理研究所牵头建造的高海拔宇宙线观测站（LHAASO）、与“慧眼”卫星和“极目”空间望远镜开展的天地联合观测至关重要。

“慧眼”卫星和“极目”空间望远镜专门为探测伽马暴和引力波电磁对应体而建造，在GRB 221009A的观测中，这两个观测利器有效联合，在硬X射线和软伽马射线能段，非常精确地刻画了该伽马暴从前兆辐射到主暴、耀发以及早期余辉的各个关键阶段的辐射性质。

其中，“极目”空间望远镜正好处于能够记录极高伽马射线流强的特殊观测模式，避免了因极端亮度而容易产生的各种仪器效应（包括数据饱和丢失、信号堆积、死时间过大等），成功对该伽马暴极端明亮的主暴进行了完整而精确的探测。而“慧眼”卫星配备的高能X射线望远镜凭借其在兆电子伏能区最大的有效面积，成功探测到该伽马射线暴，并获得了其前兆辐射和早期余辉的高质量数据。

▲“慧眼”卫星和“极目”空间望远镜观测迄今最亮伽马暴示意图 （供图/中国科学院高能物理研究所）

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“慧眼”和“极目”为何这么牛？

据了解，“慧眼”卫星和“极目”空间望远镜均由高能所提出和牵头研制。“慧眼”和“极目”在探测GRB 221009A伽马射线暴上能够立下汗马功劳，与这两个项目的一些独特本领有很大的关系。

“慧眼”卫星是我国首台空间X射线天文望远镜，由中国科学院院士李惕碚，以及吴枚等人于1993年提出项目建议，2011年获得工程立项。自2017年6月15日发射升空以来，“慧眼”卫星已在轨稳定运行超过5年，已在黑洞、中子星、快速射电暴等领域取得一系列重要成果。2017年“慧眼”卫星已经初露锋芒，当年8月17日，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）首次捕捉到来自双中子星并合产生的引力波信号。该事件发生时，全球仅有4台X射线和伽马射线望远镜成功监测到爆发天区，“慧眼”便是其中之一。本来“慧眼”的设计寿命只有4年，但因为状态良好，就被延长了运行时间。没有想到延期运行2年以后，“慧眼”再次显神威。

我国的“极目”空间望远镜是中国科学院“空间科学”（二期）战略性先导科技专项支持的机遇型空间科学项目，由中科院高能所于2016年提出项目建议，2018年获得工程立项。2020年“极目”空间望远镜项目才首次发射升空，除了直接观测引力波、伽马暴等高能天体爆发现象，该空间望远镜的另一大任务是为各种类型的高能天体爆发“站岗放哨”。一旦“极目”发现爆发天体，便立即将相关信息下传至地面，引导地面和其他空间天文观测设备迅速开展后续观测。

参与本次发现的是“极目”系列的第三个载荷（编号GECAM-C），其于2022年7月27日搭载中国科学院微小卫星创新研究院牵头研制的空间新技术试验卫星（SATech-01）发射入轨。“极目”系列卫星采用了一系列创新的探测技术，并开创性地使用北斗导航系统短报文服务实现星地准实时通讯，已发现一大批伽马暴、磁星爆发、快速射电暴的高能对应体、太阳耀斑以及地球伽马闪等高能爆发现象。

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期待更大的伽马射线暴研究成果

“慧眼”和“极目”对GRB 221009A伽马射线暴的联合观测结果可以推测，该伽马暴的余辉由慢衰减到快衰减的拐折出现得非常早，意味着产生伽马射线的喷流非常狭窄，这是人类探测到的最狭窄的伽马暴喷流之一。研究团队认为，极为狭窄的喷流可能是该伽马暴看上去极端明亮的原因之一。因此，本次“慧眼”和“极目”的观测研究对于深入理解这种极端宇宙爆发现象提供了崭新视角。

意大利费拉拉大学菲利波弗龙泰拉教授表示，在对这次事件的众多观测里，破纪录的GRB221009伽马射线暴的结果是非常具有挑战性和独特性的，这些极高质量的数据源于“慧眼”和“极目”的巧妙设计，在探测任务中它们所获得的数据的独特组合也提供了切实的证据，证明伽马射线暴引擎可以发射非常狭窄而准直的喷流，为研究这些新生致密星的产生和活动提供了崭新的线索。

中科院院士、清华大学教授、中科院高能物理所研究员李惕碚表示，这次历史上最强的伽马射线暴依旧充满了很多未知，在本次伽马射线暴的观测中，中国天地协同的科学装置观测获得很多独特的、有价值的高质量数据，但是接下来中国的科学家们需要充分利用这些数据进行研究，同时将观测成果上升到理论研究上来，希望能够在伽马射线暴的理论研究中取得重大成果和新突破。

出品：科普中央厨房

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