2022年10月9日，一縷來自宇宙深處的光束——伽馬射線暴（編號GRB 221009A）穿越19億光年抵達地球。在全球眾多天文設施中，中國的“慧眼”衛星和“極目”空間望遠鏡成功對其瞬時輻射和早期餘輝進行了國際最高精度的測量。它是人類迄今觀測到的最亮伽馬射線暴，且各向同性能量也打破紀錄，令科學家驚歎為“千年一遇”。

文｜本刊記者 馮琳

將人類觀測伽馬射線暴亮度紀錄提升50倍

北京時間2023年3月29日凌晨2點，中國科學院高能物理研究所（以下簡稱“中科院高能所”）與全球40餘家科研機構聯合發布對伽馬射線暴（編號GRB 221009A）這一歷史性天文事件的研究成果。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餘家研究機構。論文通訊作者為中科院高能所粒子天體物理中心副主任、“極目”空間望遠鏡首席科學家熊少林研究員，中科院高能所粒子天體物理中心主任、“慧眼”衛星首席科學家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。

伽馬射線暴是宇宙大爆炸之後最劇烈的爆炸現象。熊少林告訴記者，伽馬射線暴的產生機制有兩種類型，一類產生於很大質量恒星的核心坍縮爆炸，持續時間通常長於2秒，伽馬射線暴即屬於此類；另一類產生於兩顆極端緻密天體（中子星、黑洞等）的合併爆炸，持續時間通常短於2秒，並同時發出引力波。

這兩類天體爆炸均能產生一顆黑洞或中子星等極端緻密天體，其通過極強引力吞噬周圍物質並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，稱為餘輝。只有噴流恰好對準地球時，人類才有機會探測到這些輻射。之所以稱作“伽馬射線暴”，熊少林解釋說，是因為它在伽馬射線波段輻射最強、能量最多。

事實上，伽馬射線暴並不罕見。人類自從1967年發現首個伽馬射線暴以來，已探測到近萬例伽馬射線暴，但是極端明亮的伽馬射線暴是特殊且重要的。基於“極目”空間望遠鏡的精確觀測數據，研究團隊發現伽馬射線暴（編號GRB 221009A）具有迄今探測到的最高亮度，並將伽馬射線暴亮度紀錄提升了50倍！

這次大幅打破紀錄的伽馬射線暴究竟有多亮？從能量角度去理解，由於伽馬射線暴距離地球十分遙遠，對於它發出的所有伽馬射線來說，人類可以探測到的只是滄海一粟，通常無法知曉伽馬射線暴向人類視線之外的方向輻射了多少能量。研究團隊做了一個假設，如果伽馬射線暴向各個方向輻射了幾乎相同數量的伽馬射線，那麼根據探測到的伽馬射線和伽馬暴的距離，就可計算出該伽馬射線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。研究團隊發現這次伽馬射線暴的各向同性能量也打破紀錄，超過了10的55次方爾格！

這是一個什麼能量概念？張冰解釋稱，這相當於將8個太陽的全部質量都轉化成能量，然後在1分鐘內釋放出來；這些能量如果讓太陽用長達100億年的一生來釋放，則需要1萬個太陽。“可想而知，這樣的一個伽馬射線暴是前所未有明亮的。”

這一伽馬射線暴為何這麼亮？“亮源會有兩種可能性，第一是離地球非常近，第二是源本身能量和光度非常大。”張冰解釋，好比我們去看一個蠟燭和一座燈塔，往往會覺得蠟燭更亮，那是因為蠟燭與人的距離更近。

伽馬射線暴（編號GRB 221009A）因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。

“千年一遇，甚至可以說萬年一遇。上次發生如此劇烈伽馬射線暴的時候，如果是一千年前，那麼我們當時正在宋朝，如果是一萬年前，我們當時還是山頂洞人。”張冰說，“而這樣一個伽馬射線暴正好是發生在了這個時候，人類進入了能夠觀測伽馬射線暴的時代，而且中國有兩架空間望遠鏡可以同時觀測它，光這一件事情就已經是非常難得了。如果錯過了這次機會，人類可能還要再等上千年或者上萬年。”

張雙南也慨歎道，“我們不期望在有生之年能夠再看到一次。”他解釋稱，因距離地球較近的大質量恒星核心坍縮爆炸且能產生巨大能量、狹窄噴流的現象非常少見，“今後千年的時間裡，科學家們都不太可能觀測到這個現象，這也意味著後續數十代的科學家都只能依賴此次觀測數據展開研究。”

天地聯合觀測為極端宇宙爆發現象提供嶄新研究視角

試想一下，當耀日晴空，我們會因為光線太強而無法直視太陽。那麼，要看見並觀測迄今最亮的伽馬射線暴究竟有多難？要如何做到呢？

2022年10月9日，當伽馬射線暴（編號GRB 221009A）發出的光子抵達地球，全球眾多天文設施都開展了觀測。然而由於該伽馬射線暴亮度極高，國際上絕大多數探測設備發生了嚴重的數據飽和丟失等問題，未能獲得精確測量結果。在這分秒必爭的黃金瞬間，中國的“慧眼”衛星、“極目”空間望遠鏡與高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）開展天地聯合觀測，其中，“慧眼”衛星和“極目”空間望遠鏡在硬X射線和軟伽馬射線能段精確刻畫了伽馬射線暴（編號GRB 221009A）從前兆輻射到主暴、耀發以及早期餘輝的各個關鍵階段的輻射性質，這是中國對本次研究作出的重要且獨特的貢獻。

“慧眼”衛星和“極目”空間望遠鏡均由中科院高能所提出項目概念和牽頭研制。其中，“極目”空間望遠鏡是專門為探測伽馬射線暴和引力波電磁對應體而建造的。“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，由中科院高能所於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），其於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製的空間新技術試驗衛星（SATech-01）發射入軌。“極目”系列衛星採用了一系列創新的探測技術，並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，已發現一大批伽馬射線暴、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。

“慧眼”衛星是我國首台空間X射線天文望遠鏡，由李惕碚、吳枚等人於1993年提出項目建議，2011年獲得工程立項。其研製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，中科院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。

在本次觀測中，“極目”空間望遠鏡正好處於能夠記錄極高伽馬射線流強的特殊觀測模式，從而避免了因極端亮度而容易產生的包括數據飽和丟失、信號堆積、死時間過大等各種儀器效應，得以對伽馬射線暴（編號GRB 221009A）極端明亮的主暴進行了完整而精確的探測。相比之下，國際上很多望遠鏡都沒有設置這樣的特殊觀測模式。而“慧眼”衛星配備的高能X射線望遠鏡則憑藉其在兆電子伏能區最大的有效面積，成功探測到伽馬射線暴（編號GRB 221009A），並獲得了其前兆輻射和早期餘輝的高質量數據。

有了“慧眼”和“極目”的完美配合，才令人類幸而沒有與這千年一遇的“宇宙煙火”擦身而過。研究團隊從“慧眼”和“極目”的聯合觀測結果推測，伽馬射線暴（編號GRB 221009A）的餘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伽馬射線暴看上去極端明亮的原因之一。因此，本次“慧眼”和“極目”的觀測研究對於深入理解這種極端宇宙爆發現象提供了嶄新視角。

中國已處於世界高能天體物理學研究前沿

中國團隊對伽馬射線暴（編號GRB 221009A）的成功觀測，令全球天文學家驚喜讚歎！

意大利費拉拉大學菲利波·弗龍泰拉（Filippo Frontera）教授說：“在對這次事件的眾多觀測裡，破紀錄的伽馬射線暴（編號GRB 221009A）的結果，是非常具有挑戰性和獨特性的。這些極高質量的數據源於‘慧眼’衛星和‘極目’空間望遠鏡的巧妙設計。而且只有在一個非常有經驗的團隊中，才能圓滿完成這些優秀的設計。”

德國圖賓根大學安德烈亞·聖安傑洛（Andrea Santangelo）教授點評指出，此次聯合發布的伽馬射線暴是一個非同尋常的事件，當它突然爆發時，整個天文界都非常興奮，歐美許多天文設備都開始對其進行觀測，當其他所有設備都被最亮伽馬暴“炫花眼”時，只有中國的“慧眼”衛星和“極目”空間望遠鏡獲得爆發全過程的光變曲線，從而得出這次極為美妙的結果——不僅測到伽馬射線暴（編號GRB 221009A）總能量，而且還清楚測量到它非常窄的光束。他認為，這表明中國已處於世界高能天體物理學研究的前沿，未來中國在這一領域的引領力將與日俱增。

多年前，中國天文研究使用的是國外數據。“外國人一個電話就能知道最新的天文數據，而我們要到第二天才能知道。”中國科學院院士，“慧眼”衛星提出者、預研和工程研製階段首席科學家李惕碚直言道。如今中國有了自己的天文數據，令李惕碚甚感欣慰：“說我們中國沒有第一手的數據，那個時代已經過去了。”

當然，精準探測的數據只是揭開了極端宇宙爆發真相的一角。伽馬射線暴為什麼如此明亮？為什麼能夠產生狹窄的噴流？如有一部分伽馬射線暴可以產生引力波，那麼什麼樣的引力波事件可以產生伽馬射線暴？對伽馬射線暴研究來說，仍有許多未解之謎。

“這一謎底的揭開需要一代又一代人的夢想接力。”李惕碚指出，“ 現在發現的還是現象，只有提出理論創新，才有可能推動科研突破。”

從2001年發射的“神舟”二號起，中科院高能所牽頭或參與伽馬射線暴相關空間項目，至今已有20多年。中國科學院院士、中科院高能所所長王貽芳介紹說，該所一直是中國粒子天體物理研究的引領者，經過幾十年發展，實驗平台也從高山逐漸發展到氣球、衛星和未來的空間站，研製出了“慧眼”“極目”等重大設施，在X射線天文領域逐漸走到世界前列。此外，中科院高能所天地一體化的多信使觀測能力高速發展，已取得一系列重大觀測成果，有望成為國際粒子天體物理研究的領先研究機構。

下一步，中國科學家們將與國際科研機構進一步開展合作，對最大伽馬射線暴進行更加深入研究，利用兩個望遠鏡開展更多伽馬射線暴的探測數據，破解伽馬射線暴產生機制難題，研究引力波和快速射電暴與伽馬射線暴的關係等。同時，中科院高能所也將繼續支持“慧眼”“極目”等項目科研工作，特別在天體一體化聯合觀測方面給與更多關注，並繼續加強“慧眼”“極目”等空間項目在科學研究方面的國內外合作，爭取產出更多重大原創性科學成果。

未來五到十年，我國還將部署新的空間項目計劃，發射愛因斯坦探針衛星、空間變源監視器、中國空間站高能宇宙輻射探測設施、增強型時變與偏振天文台等空間設備，通過更多手段、從更多角度，探索宇宙深處的奧秘。

（文中圖片由中國科學院高能物理研究所提供，本文發布於《紫荊》雜誌2023年5月號）