三大科學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，中國科學院高能物理研究所（中科院高能所）負責建設和運行管理的中國高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，昵稱“拉索”）、“高能爆發探索者”（HEBS）和“慧眼”衛星（Insight-HXMT）等三大科學裝置，通過天地聯合，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”=“天地聯合”

“懷柔一號”衛星（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設施，由我國自主提出并設計建造。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月完成建設并投入科學運行，是世界上靈敏度最高的超高能伽馬射線天文臺。捕捉和高統計量觀測伽馬射線暴是LHAASO 的重要科學目標之一。LHAASO 的運行開啟了“超高能伽馬天文學”觀測時代。此次亮度空前的爆發正好發生在LHAASO 視場的中心附近，為達成此項科學目標奠定了強大的觀測基礎。

“高能爆發探索者”于2022年7月27日發射，是我國近期發射的空間新技術試驗衛星的主要科學載荷之一。采用“懷柔一號”衛星所開創的新型探測技術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據。HEBS 目前處于在軌測試階段，預期將獲得更多重要成果。

“慧眼”衛星是我國第一顆空間X 射線天文衛星，于2017年6月15日發射運行，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現象，首次發現于20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，而持續時間較短的伽馬射線暴則產生于兩個致密天體（比如黑洞或中子星）合并爆炸，后者還可能伴隨發射引力波。這次高強度的爆發發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估計幾十年甚至百年才出現一次。

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

“慧眼”衛星觀測迄今最亮的伽馬射線暴（GRB 221009A）。在伽馬射線暴發生前后，“慧眼”衛星恰好在對該天區進行掃描觀測，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，完美展現了初期爆發和后隨閃耀的演化過程。“慧眼”衛星的高能、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。“慧眼”衛星當時正在掃描觀測這個天區，因而對該伽馬射線暴的余輝進行了及時監測。這些能量相差上十億倍的測量結果，對于建立正確的伽馬射線暴爆發機制模型極為重要。

本次探測在國際上引發巨大反響

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）。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 的探測結果已經引發了國際上巨大的反響，大量的相關研究迅速展開，涌現出關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和模型將做出強烈的限制，預計將產生重要的認知水平的提升。

該伽馬射線暴發生后，LHAASO 實驗高能所團隊在首席科學家曹臻研究員帶領下迅速展開數據分析，在爆發后不到兩天就通過伽馬射線暴協同觀測網（Gamma-ray Coordinates Network，GCN）向國際同行發布初步觀測結果。進一步的數據分析和科學研究正由LHAASO 合作組成員全力開展。

高能所“慧眼”衛星和HEBS 觀測運行團隊、載荷團隊和數據分析團隊在“慧眼”衛星首席科學家張雙南研究員和HEBS 項目首席科學家熊少林研究員的帶領下，迅速投入觀測分析，并及時啟動了機遇觀測。在團隊的密切協作下，“慧眼”衛星和HEBS 已經得到初步分析結果，并已通過天文電報（Astronomer’s Telegram）和GCN向國際同行發布。