“慧眼”衛(wèi)星和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡觀測迄今最亮伽馬暴示意圖。中科院高能物理所供圖
那是一個瞬間照亮宇宙的時刻。
一場極端的天體爆發(fā)，產(chǎn)生了極為狹窄、極端明亮、接近光速運動的噴流，各向同性能量相當(dāng)于在1分鐘內(nèi)釋放8個太陽質(zhì)量的全部能量。當(dāng)噴流恰好對準(zhǔn)地球時，相距24億光年的人類才有機(jī)會探測到這些輻射，看到了千年一遇、迄今最亮的“宇宙煙火”。
“全球很多天文科學(xué)家因此沸騰了。”中國科學(xué)院高能物理研究所粒子天體物理中心主任、“慧眼”衛(wèi)星首席科學(xué)家張雙南說。
這一瞬間被“慧眼”衛(wèi)星和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡捕獲。它們成功地在硬X射線和軟伽馬能段，對該伽馬射線暴（以下簡稱“伽馬暴”）的瞬時輻射和早期余輝進(jìn)行了國際最高精度的測量，發(fā)現(xiàn)其具有迄今觀測到的最大亮度，將伽馬暴的亮度紀(jì)錄提升了50倍。
3月29日凌晨2點，中國科學(xué)院高能物理研究所與全球40余家科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)布對迄今最亮伽馬暴（編號GRB 221009A）的研究成果。這一發(fā)現(xiàn)為千年一遇的天體爆發(fā)的研究作出了獨特貢獻(xiàn)。
讓全球科學(xué)家沸騰的“光”
“我們不期望在有生之年能夠再看到一次。”張雙南感嘆。
伽馬暴是宇宙大爆炸之后最劇烈的爆炸現(xiàn)象，包括兩種類型，一類產(chǎn)生于很大質(zhì)量恒星的核心坍縮爆炸，持續(xù)時間通常長于2秒，此次發(fā)現(xiàn)的伽馬暴即屬于此類。另一類產(chǎn)生于兩顆極端致密天體（中子星、黑洞等）的合并爆炸，持續(xù)時間通常短于2秒，并同時發(fā)出引力波。
這兩類天體爆炸均能產(chǎn)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(zhì)并以接近光速從兩極噴射物質(zhì)，形成一對相反方向的噴流。噴流內(nèi)部的激波或磁重聯(lián)等過程加速帶電粒子產(chǎn)生伽馬射線輻射，稱之為瞬時輻射；噴流和周圍的星際介質(zhì)相互作用也能產(chǎn)生輻射，稱之為余輝。
“只有噴流恰好對準(zhǔn)地球時，人類才有機(jī)會探測到這些輻射。” 張雙南解釋，距離地球較近的大質(zhì)量恒星核心坍縮爆炸，且能產(chǎn)生巨大能量、狹窄噴流的現(xiàn)象非常少見，“今后千年的時間里，科學(xué)家們都不太可能觀測到這個現(xiàn)象，這也意味著后續(xù)數(shù)十代的科學(xué)家都只能依賴此次觀測數(shù)據(jù)展開研究。”
1967年，自人類發(fā)現(xiàn)首個伽馬暴以來，已探測到近萬例伽馬暴。2022年10月9日，包括中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭建造的空間和地面觀測設(shè)備在內(nèi)的全球眾多天文設(shè)施，均觀測到這個迄今最亮的伽馬暴，其產(chǎn)生于距離地球24億光年的宇宙深處。
“上一次，高亮度伽馬暴發(fā)生的時候，或許是在一萬年前，我們還是山頂洞人，或許是在千年之前，那時我們的科學(xué)技術(shù)還沒有發(fā)展起來。如今人類技術(shù)進(jìn)入了觀測時代，中國就有兩個望遠(yuǎn)鏡可以精準(zhǔn)探測。”美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校教授張冰提到，在所有天體活動中，越是極端的現(xiàn)象，出現(xiàn)的數(shù)目就越少。如果錯過了這次機(jī)會，人類可能還要再等到上千年或者上萬年。
“伽馬暴的出現(xiàn)是隨機(jī)的，當(dāng)它出現(xiàn)的時候會照亮整個宇宙。”張冰提到，該伽馬暴具有極端的亮度和相對較近的距離，可以稱之為千年一遇的歷史性事件。
中國科學(xué)院高能物理研究所粒子天體物理中心副主任、研究員、“極目”空間望遠(yuǎn)鏡首席科學(xué)家熊少林進(jìn)一步解釋：“這次有3個地方很特殊，它離我們很近，輻射出來的單位立體角能量非常高，張角也很小，這3個因素結(jié)合起來，大概是千年間才能看到這樣的伽馬暴。”
沒有被“亮瞎眼”的“雙目”
這場“宇宙煙火”有多亮？
基于“極目”空間望遠(yuǎn)鏡的精確觀測數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)該伽馬暴具有迄今探測到的最高亮度，并將伽馬暴亮度紀(jì)錄提升了50倍。
從能量角度去理解，由于伽馬暴距離地球十分遙遠(yuǎn)，對它發(fā)出的所有伽馬射線來說，人類可以探測到的只是滄海一粟，通常無法知曉伽馬暴向人類視線之外的方向輻射了多少能量。
研究團(tuán)隊作了一個假設(shè)，如果伽馬暴向各個方向輻射了幾乎相同數(shù)量的伽馬射線，那么根據(jù)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(fā)出的所有伽馬射線的總能量，即各向同性能量。
“這個伽馬暴的各向同性能量打破了紀(jì)錄，超過10的55次方爾格，相當(dāng)于在1分鐘內(nèi)釋放8個太陽質(zhì)量的全部能量。”熊少林說。
我國專門為探測伽馬暴和引力波電磁對應(yīng)體而建造的“極目”空間望遠(yuǎn)鏡，聯(lián)合我國首臺空間X射線天文望遠(yuǎn)鏡“慧眼”衛(wèi)星，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(fā)以及早期余輝的各個關(guān)鍵階段的輻射性質(zhì)。
中科院高能所粒子天體物理中心研究員、“極目”空間望遠(yuǎn)鏡載荷總師李新喬打了一個形象的比喻，如果肉眼去直視太陽，人類很難承受刺眼的光亮。但是如果戴上了太陽鏡，就能清楚地觀測太陽。
由于該伽馬暴亮度極高，國際上絕大多數(shù)探測設(shè)備發(fā)生了嚴(yán)重的數(shù)據(jù)飽和丟失等問題，無法獲得精確測量結(jié)果。
“我們把伽馬暴最難測量的部分，也就是伽馬暴最亮的部分進(jìn)行了精確測量。這在國際上是獨一無二的。”熊少林說。
2022年發(fā)射的“極目”空間望遠(yuǎn)鏡是這次重大發(fā)現(xiàn)的“大功臣”。熊少林解釋，這顆衛(wèi)星的軌道會穿過一些噪聲比較高的區(qū)域，一般的做法是在經(jīng)過這些區(qū)域時關(guān)掉探測器。如果12個探測器全部開機(jī)，那么設(shè)備會產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)量。國際上大部分探測器因此發(fā)生了數(shù)據(jù)飽和、丟失等問題。
“我們沒這么做，讓它保留一個探測器開機(jī)。” 熊少林介紹，此次觀測，“極目”空間望遠(yuǎn)鏡處在一種特殊的工作模式中，依靠保留的探測器獲得了精準(zhǔn)探測的重要產(chǎn)出。讓他覺得幸運的是，如果沒有此類設(shè)計，那么人類就沒有一個設(shè)備能夠完成此次精準(zhǔn)測量，將會與千年一遇的伽馬暴擦肩而過。
幸好，沒有被“亮瞎”的“雙目”展開了精巧的工作。“極目”空間望遠(yuǎn)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(chǎn)生的數(shù)據(jù)飽和丟失、信號堆積、死時間過大等各種儀器效應(yīng)，成功對該伽馬暴極端明亮的主暴進(jìn)行了完整而精確的探測。而“慧眼”衛(wèi)星配備的高能X射線望遠(yuǎn)鏡，憑借其在兆電子伏能區(qū)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(zhì)量數(shù)據(jù)。
熊少林說，此次還采取了天地聯(lián)合觀測，配合天上運行的兩顆衛(wèi)星，地面有高海拔宇宙線觀測站展開了詳細(xì)觀測，具體數(shù)據(jù)后續(xù)將重磅公布。
歐洲一位科學(xué)家菲利波·弗龍?zhí)├f：“在對這次事件的眾多觀測里，破紀(jì)錄的GRB221009伽馬暴的結(jié)果，是非常具有挑戰(zhàn)性和獨特性的。這些極高質(zhì)量的數(shù)據(jù)源于‘慧眼’衛(wèi)星和‘極目’空間望遠(yuǎn)鏡的巧妙設(shè)計。而且只有一個非常有經(jīng)驗的團(tuán)隊，才能圓滿完成這些優(yōu)秀的設(shè)計。”
人類正揭開極端宇宙爆發(fā)真相的一角
一個亮度提升了50倍的伽馬暴能透露哪些宇宙信息？
“亮源會有兩種可能性，第一個是離地球非常近，第二個是源本身能力和廣度非常大。”張冰解釋，好比人類去看一個蠟燭和一座燈塔，往往會覺得蠟燭更亮，那是因為蠟燭離人的距離更近。
通過觀測發(fā)現(xiàn)，伽馬暴距離地球24億光年。從“慧眼”和“極目”的聯(lián)合觀測結(jié)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(xiàn)得非常早，意味著產(chǎn)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(tuán)隊認(rèn)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。“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(fā)現(xiàn)象提供了嶄新視角。”張雙南說。
精準(zhǔn)探測的數(shù)據(jù)只是揭開了極端宇宙爆發(fā)真相的一角。
“伽馬暴為什么這么亮？為什么能夠產(chǎn)生狹窄的噴流？如有一部分伽馬暴可以產(chǎn)生引力波。那么什么樣的引力波事件可以產(chǎn)生伽馬暴？”熊少林認(rèn)為，對于伽馬暴領(lǐng)域來說，有更多未解之謎。
“這一謎底的揭開需要一代又一代人的夢想接力。” 中科院院士、“慧眼”衛(wèi)星提出者、預(yù)研和工程研制階段首席科學(xué)家李惕碚說。
1993年，李惕碚、吳枚等人提出“慧眼”衛(wèi)星項目建議。自2017年6月15日發(fā)射升空以來，“慧眼”衛(wèi)星已在軌穩(wěn)定運行超過5年，在黑洞、中子星、快速射電暴等領(lǐng)域碩果累累。2022年7月27日，“極目”衛(wèi)星搭載中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院牽頭研制的空間新技術(shù)試驗衛(wèi)星發(fā)射入軌，“睜眼”看到了一大批伽馬暴、磁星爆發(fā)、快速射電暴的高能對應(yīng)體、太陽耀斑以及地球伽馬閃等高能爆發(fā)現(xiàn)象。
“多年前我們使用的是國外的天文數(shù)據(jù)。外國人一個電話就能知道最新的天文數(shù)據(jù)，而我們要到第二天才能知道。”李惕碚說。
如今中國有了自己的天文數(shù)據(jù)。李惕碚認(rèn)為：“說我們中國沒有第一手的數(shù)據(jù)，那個時代已經(jīng)過去了。”
他并不滿足于此，“現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的還是現(xiàn)象，只有提出理論創(chuàng)新，才有可能推動科研突破。”
下一步，中國科學(xué)家們將對迄今最亮伽馬暴進(jìn)行更加深入的研究，與國際科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合，利用兩個望遠(yuǎn)鏡開展更多伽馬暴的探測數(shù)據(jù)，部署新的空間項目計劃。
中青報·中青網(wǎng)見習(xí)記者 楊潔
來源：中國青年報
